Temperatura e Calore La materia è un sistema fisico a molti corpi Gran numero di molecole (N A =6,02 10 23 ) interagenti tra loro Descrizione mediante grandezze macroscopiche (valori medi su un gran numero di particelle): Pressione Volume Temperatura Il legame con le grandezze microscopiche è di tipo statistico.
Temperatura Rappresenta la 5 a grandezza fondamentale (t,t); E` in correlazione con altre grandezze fisiche: volume di un corpo; pressione di un gas; viscosità di un fluido; resistività elettrica;... T è la misura dello stato termico di un sistema fisico Principio dell equilibrio termico: due corpi posti a contatto raggiungono, dopo un certo tempo, la medesima temperatura. Viene misurata con il termometro: Proprietà termometriche C 100 50 Dilatazione termica: V(t) = V o (1 + αt) 0 α=coefficiente di dilatazione termica In un tubo: h(t) = h o (1 + βt)
Termometro clinico Liquido termometrico: mercurio La strozzatura presente nella canna serve per conservare t max dopo che il termometro è rimosso dal paziente C 42 41 40 39 38 37 36
Scale termometriche 200 C K F Scala normale o Celsius o C 0 100 H 2 O 100 0 100 400 300 200 373 273 212 32 148 t e t f Scala Farenheit o F t ( o F) = 32 o 9 + t ( 5 o C) 200 100 328 Scala assoluta o Kelvin K 273 t 0 T scale centigrade 459.4 T(K) = t ( C) + 273,15 Unità di misura del S.I. o T (K) = t ( o C)
Interpretazione microscopica Nella materia (N = numero di molecole Na=6,02 10 23 ): Moto di agitazione termica di atomi e molecole: moto disordinato (gas) vibrazioni intorno alle posizioni di equilibrio (solidi) energia cinetica E k Energia potenziale e di legame: energia potenziale E p La temperatura di un corpo è correlata al livello medio di agitazione termica nella materia Nota: si definisce energia interna U di un sistema la quantità: U = ( E particelle k + E p ) U è quindi funzione della temperatura.
Calore Due corpi messi a contatto si portano alla stessa temperatura Il calore (Q) Trasferimento di energia interna dal corpo più caldo a quello più freddo. Si dice che tra i due sistemi vi è stato scambio di calore è l energia interna dei sistemi trasferita nei processi termici; può essere ceduto o assorbito da un corpo. Unità di misura (S.I.): Joule (J) Unità pratica di misura: caloria (cal) è la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1g di H 2 O da 14,5 o C a 15,5 o C. L equivalente meccanico della caloria è : 1 cal = 4,186 J Nota: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal
Calore Specifico e Capacità Termica La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massa m affinchè la sua temperatura passi da T 1 a T 2 è Q = c m T T ) ( 2 1 = c m T c = calore specifico quantità caratteristica di ogni materiale (vedi tabella...) Unità di misura (S.I.): J/kg K (molto utilizzata cal/g oc ) C=c m = capacità termica dipende dalla massa dell oggetto Unità di misura (S.I.): J/K (molto utilizzato cal/ o C o kcal/ o C Ricorda: T (Kelvin) = t (Celsius) Esempio: 1 cal/g oc = 1 kcal/kg oc = 1 cal/g K = 4,186 10 3 J/kg K Cal
Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente materiale c (cal/g oc) materiale c (cal/g oc) acqua 1,0 glicerina 0,58 alluminio 0,22 ferro 0,83 alcool 0,55 rame 0,09 ghiaccio 0,5 mercurio 0,03 corpo umano 0,83 aria 0,23
Esempio: Quante calorie occorrono per innalzare di t=10 o C un volume pari a 3 litri di acqua? [ R. Q = 30kcal] Esprimere il risultato nelle unità del S.I.: [. 125,58 10 J] 3 R Q =
Equilibrio Termico Due corpi a temperature t 1 e t 2 (t 2 > t 1 ) sono posti in contatto termico, isolati dall ambiente circostante Q 1 Q 2 t 1 t 2 Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di equilibrio t f t f t f c Applicando la conservazione dell energia si ottiene la temperatura di equilibrio t f m Q 1 = Q 2 ( t f t1) = c2 m2 ( t2 t 1 1 f ) c m t + c c 1 1 1 t f = c1m1 + 2 2 m2t m 2 2
Trasformazioni di fase Corrispondono a transizioni tra i tre diversi stati di aggregazione della materia solido solidificazione fusione liquido liquido condensazione evaporazione gas Avvengono a temperatura costante, caratteristica della sostanza in esame; Sono accompagnate da - assorbimento di calore (endotermiche) - liberazione di calore (esotermiche) Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche!
Calore latente Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il calore Q necessario alla fusione (evaporazione) di una massa m è: Fusione Q = k f m T = costante k f = calore latente di fusione es. k f (H 2 O) = 80 cal/g Evaporazione Q = k e m T = costante k f = calore latente di evaporazione es. k e (H 2 O) = 606,5-0.695 t cal/g Alla temperatura corporea t=37 o C: k e (H 2 O) = 580 cal/g
Esempio: Quante calorie occorrono per fondere m=10g di ghiaccio? [ R. Q = 800cal = 0,8kcal]
Trasmissione del calore meccanismi di trasmissione del calore convezione PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA conduzione PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA irraggiamento EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE (RADIAZIONE TERMICA) evaporazione (sistemi biologici)
Convezione Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il trasporto di calore è associato al trasporto di materia. Esempi: Radiatore in una stanza; Acqua in una pentola; Nei sistemi biologici: sangue e linfa. fornello In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza di temperatura T tra radiatore e stanza: Q S T
Conduzione Meccanismo di propagazione del calore nei solidi Q t = K S d ( T T1) 2 = K S d T S T 1 T 2 Q K = conducibilità termica A temperatura ambiente: MATERIALI DIVERSI K (kcal m 1 s 1 C 1 ) rame ghiaccio acqua 9.2 10 2 5.2 10 4 1.4 10 4 pelle secca polistirolo aria d 0.6 10 4 9.3 10 6 5.5 10 6
Irraggiamento termico Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo a temperatura T. Avviene anche nel vuoto! Esempi: Energia solare; Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse; Corpi arroventati emettono luce. Ogni corpo irradia ed assorbe calore dall ambiente circostante. Si ha: Q = Q irradiato K ( T a Q T ) = b assorbito K T
Metabolismo del corpo umano Uomo Organismo omotermo t 37 C t 0 U 0 ossidazione di : carboidrati C grassi G proteine P Q interna U > 0 produzione energia processi esotermici consumo di O 2 Q ambiente U < 0 Il corpo deve cedere calore all ambiente per mantenere costante la temperatura corporea
Evaporazione Meccanismo adottato nei sistemi biologici Calore latente di evaporazione H 2 O (t = 37 C) 580 cal g 1 Processo endotermico passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora; Non dipende dalla differenza di temperatura T. Esempio evaporazione di 100 g H 2 O 58 kcal = 242.5 kj metabolismo basale = M.B. 50 kcal ora 1 m 2 (minima quantità di energia per garantire le funzioni vitali)
Trasmissione del calore nel corpo umano conduzione irraggiamento convezione trasmissione interna ed esterna contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con aria e vestiti emissione termica trasmissione esterna trasmissione interna diffusione con distribuzione omogenea del calore interno tramite sangue Inefficaci se T=0 esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è maggiore della temperatura corporea evaporazione trasmissione esterna sudorazione e respirazione H 2 O (t = 37 C) 580 cal g 1 Efficace anche se T=0 più efficace se l ambiente esterno è secco
kcal ora perdita di calore Termoregolazione corporea 100 50 irraggiamento perdita totale evaporazione conduzione o22 26 30 34 C Bassa temperatura ambiente (T<< 37 o C): t vasocostrizione brividi, pelle d oca Alta temperatura (T 37 o C) o sforzo fisico: vasodilatazione Processi regolati dall ipotalamo sudorazione