principi della termodinamica temperatura calore gas...
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Temperatura e calore
Principi della termodinamica Temperatura
Calore Gas ideali
Termodinamica branca della fisica che descrive
le trasformazioni subite da un sistema in seguito a
processi che coinvolgono la trasformazione di calore
in lavoro e viceversa.
Principio zero: temperatura
Primo principio: energia interna
Secondo principio: entropia
Termodinamica
Principio zero della termodinamica
La temperatura è una grandezza fisica scalare che esprime lo stato termico di un sistema, descrivendo “quanto è caldo o freddo” un corpo rispetto ad un corpo di riferimento.
Il principio zero della termodinamica si riferisce alla possibilità di definire
la temperatura di un corpo:
Se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo allora lo
sono anche fra loro.
La definizione operativa della temperatura è basata sulla proprietà che il riscaldamento o il raffreddamento dei corpi inducono variazioni nelle loro caratteristiche
fisiche. Si usa ad esempio la dilatazione termica.
Misurare la temperatura
Un termometro è costituito da un tubo capillare di vetro con un bulbo, all’interno del quale è posto il liquido termometrico (mercurio, alcool etilico, …).
Termometri
Lungo il tubo c’è una scala graduata ottenuta
considerando due punti di riferimento (fusione del ghiaccio ed ebollizione
dell’acqua) e attribuendo loro un valore convenzionale della
temperatura.
Scale termometriche
Scala Fusione del ghiaccio
Ebollizione dell’acqua
Celsius 0 100
Fahrenheit 32 212 Kelvin 273.16 373.16
Misura la temperatura corporea. Il tipo più comune è costituito da
un capillare di vetro, graduato da +35 °C a +42 °C, con una strozzatura in prossimità della parte che viene a contatto col
corpo del paziente che impedisce al liquido contenuto (in genere mercurio) di rientrare nel bulbo
con il raffreddamento.
Termometro clinico
Calore Due corpi a diversa temperatura messi a contatto, dopo un certo tempo raggiungono l’equilibrio termico. Globalmente, il corpo caldo cede parte della sua energia al corpo freddo. La forma di energia che si trasmette da un corpo ad un altro a causa della
differenza di temperatura, è detta calore.
Caloria (cal): quantità di calore necessaria a far passare 1g
d’acqua da 14.5°C a 15.5°C.
Caloria alimentare = kcal = 1000 cal
Joule dimostrò che il lavoro meccanico può essere trasformato in calore (energia termica):
1 cal = 4.186 J, equivalente meccanico del calore.
Sostanze diverse hanno diversa capacità di assorbire (Q>0) o cedere (Q<0) calore.
C = Q/ΔT capacità termica
dipende dall’intervallo termico, dalla massa del corpo e dalla natura della sostanza che lo compone.
c = C/m = Q/(mΔT) calore specifico
Q = m c ΔT
Dipende solo dall’intervallo termico e dalla natura della sostanza
considerata; rappresenta la quantità di calore necessaria per innalzare di un grado l’unità di massa della sostanza.
Il calore specifico dell’H20 è:
103cal/(Kg °C)=1 kcal/(Kg °C)= 4.186 KJ/(Kg °C).
Capacità termica e calore specifico
Volete realizzare un bollitore ele.rico in grado di far bollire 1l di acqua a 20 °C in 1min. Che potenza deve dissipare la resistenza da immergere nell’acqua (supponete che tu.o il calore venga
trasferito all’acqua)?
Capacità termica e calore specifico
Volete realizzare un bollitore ele.rico in grado di far bollire 1l di acqua a 20 °C in 1min. Che potenza deve dissipare la resistenza da immergere nell’acqua (supponete che tu.o il calore venga
trasferito all’acqua)?
P=L/t=Q/t=mcΔT/t= 1Kg 1kcal/Kg°C (100-20) / 60s ≈(1 Kg 4.186 KJ/Kg°C 4)/(3 s)
≈ 6 KW
Capacità termica e calore specifico
Conduzione Il trasporto avviene per contatto, a causa degli urti fra
le molecole dei corpi, senza trasporto di materia (es. una sbarra di ferro posta su una sorgente di calore)
Trasmissione del calore
Convezione Il trasporto avviene per spostamento macroscopico di
materia riscaldata sostituita da materia più fredda (es. pentola d’acqua posta su una sorgente di calore)
Trasmissione del calore
Irraggiamento il trasporto avviene, senza che sia coinvolta materia,
attraverso la radiazione elettromagnetica (es. un recipiente d’acqua posto al sole, il fuoco).
Trasmissione del calore
Calore e dieta Il gelato fà dimagrire?
Mangiate un ghiacciolo di 150g sulla cui eGche.a è riportato un contenuto energeGco di 100 calorie (100kcal). Quando lo mangiate però il vostro corpo deve produrre energia per portare il ghiaccio da -‐13 °C fino alla temperatura corporea di 37 °C. È più grande l’energia che il ghiacciolo cede a voi, o quella che voi cedete al ghiacciolo?
Il gelato fà dimagrire? Mangiate un ghiacciolo di 150g sulla cui eGche.a è riportato un contenuto energeGco di 100 calorie (100kcal). Quando lo mangiate però il vostro corpo deve produrre energia per portare il ghiaccio da -‐13 °C fino alla temperatura corporea di 37 °C. È più grande l’energia che il ghiacciolo cede a voi, o quella che voi cedete al ghiacciolo?
Q = c m ΔT assumendo c = 1 cal/g°C (H2O) si ha:
Q = 1 cal/g°C 150g 50°C = 7500 cal =7.5 kcal
Calore e dieta
Cambiamenti di stato Gli stati di aggregazione della materia dipendono dalle condizioni di
pressione e di temperatura. Riscaldando il ghiaccio questo si scioglie, riscaldando l'acqua questa evapora, mentre raffreddando il vapore o comprimendolo esso si trasforma in liquido.
Queste trasformazioni vengono definite passaggi di stato.
La somministrazione di calore ad un sistema non ha sempre l’effetto di aumentarne la T. Se riscaldiamo una pentola
d’acqua, T salirà fino a che l’acqua non comincia a bollire, poi rimarrà costante durante tutta la fase di ebollizione.
La quantità di calore necessaria perché avvenga una
transizione di fase (es. fusione o l’evaporazione), ed è direttamente proporzionale alla massa m:
Q = λ m
λ calore latente Per l’acqua si ha ad esempio:
λfusione = 80 cal/g λevaporazione = 540 cal/g
Calore latente
Oltre all’energia cinetica K delle particelle di un corpo occorre considerare l’energia potenziale W dovuta alle forze di
interazione elettrostatica fra le molecole o gli atomi che lo costituiscono.
U = K + W è l’energia interna del sistema, cioè l’energia al livello microscopico o molecolare.
W»K in un solido W≈K in un liquido
W«K in un gas
L’energia interna è una funzione di stato, cioè dipende dallo stato in cui si trova il sistema
Energia interna di un sistema
Esistono due modi per modificare l’energia interna di un corpo:
1. fornendo calore 2. compiendo un lavoro sul sistema.
Il primo principio quantifica questo bilancio
energetico:
ΔU = Q − L
Generalizzazione del principio di conservazione dell’energia. L’energia interna può aumentare
(ΔU >0) se il corpo assorbe una certa quantità di calore (Q>0) oppure se su di esso viene compiuto
un lavoro (L<0 e quindi -L>0). Al contrario, diminuisce (ΔU<0) se il corpo cede una certa
quantità di calore (Q<0) oppure se esso compie un lavoro (L>0 e quindi -L<0).
Primo principio della termodinamica
Gas ideali I parametri che caratterizzano le condizioni fisiche di un gas
sono volume V, pressione P e temperatura T
Esempio: lavoro compiuto sul gas
L = F h = p S h = p V
Per effetto della compressione
la temperatura del gas aumenta.
Assumiamo di operare a pressioni non molto elevate e temperature non
troppo basse
gas ideale
Trasformazioni sul piano p-V
Equazione dei gas
Un gas ideale soddisfa l’equazione:
P V = n R T
n = N/N0 numero di moli
N0 = 6.023·1023 numero di Avogadro
R = 8.31 Pa · m3 / (K · mol)
costante universale dei gas
Valida per un gas reale per pressioni non molto elevate e temperature non troppo basse.
Teoria cinetica dei gas
Nella teoria cinetica dei gas si riconducono le proprietà macroscopiche a quelle molecolari.
Definizione microscopica di gas ideale
Un gas ideale soddisfa le seguenti proprietà:
1. Il volume delle particelle è trascurabile rispetto a quello occupato dal gas;
2. Si trascurano le interazioni a distanza; 3. Si considerano urti perfettamente
elastici.
La pressione è dovuta agli urti delle particelle sulle pareti.
Il parametro temperatura è la
manifestazione macroscopica dell’energia cinetica media delle molecole.
Liquefazione dei gas Vapore: stato aeriforme di una sostanza che, a
temperatura e pressione normale si trova allo stato liquido.
Gas: sostanza che in condizioni normali si trova allo stato aeriforme.
La distinzione tra gas e vapore risale a circa un secolo fa,
quando furono compiuti importanti esperimenti per liquefare i gas.
Poiché era possibile condensare i vapori tramite la compressione, si pensava erroneamente che lo stesso metodo potesse essere applicato per i gas. Gas come
l'ossigeno, l'idrogeno, l'azoto, pur sottoposti, a temperatura normale, a pressioni anche rilevanti, rimanevano sempre
allo stato aeriforme, e per questo furono chiamati "gas incoercibili".
Andrews dimostro che per temperature superiori ad una certa temperatura critica, il gas non può essere
liquefatto nemmeno con pressioni elevatissime.
Temperatura critica
Solo per T abbastanza alte e p abbastanza basse le isoterme si avvicinano a delle iperboli pV = cost
Esistono molte formulazioni equivalenti, le più conosciute sono le seguenti:
• È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più
caldo senza l'apporto di lavoro esterno (formulazione di Clausius).
• È impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la trasformazione in lavoro di tutto il calore assorbito
da una sorgente omogenea (formulazione di Kelvin-Planck).
• È impossibile realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.
• Nella fisica moderna la formulazione più usata si basa sulla funzione entropia.
In un sistema isolato l'entropia è una funzione (di stato) non decrescente nel tempo:
dS/dt > 0
Secondo principio della termodinamica