Corso di Fisica Termodinamica 1 Prof Massimo Masera

Corso di Fisica Termodinamica (1) Prof. Massimo Masera Corso di Laurea in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Anno Accademico 2011 -2012 dalle lezioni del prof. Roberto Cirio Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia 1

La lezione di oggi La termodinamica è lo studio della trasformazione dell’energia da una forma ad un’altra e da un sistema ad un altro Il calore è una forma di energia Posso trasferire il calore da un corpo a un altro 2

Temperatura e calore La dilatazione termica Calore e lavoro Capacità termica e calore specifico Conduzione, convezione, irraggiamento 3

Temperatura e termometri Temperatura misura di quanto un oggetto sia caldo o freddo Dilata zione di un el emen to nte e r e f f i d e n Dilatazio si r e v i d i t n me per 2 ele Lunghezza d’onda dell’emissione luminosa 4

Calore e principio zero della termodinamica Calore energia trasferita tra due corpi a temperatura diversa “Contatto” termico può avvenire un passaggio di calore Equilibrio termico contatto termico senza trasferimento di calore equilibrio termico! Partenza: Due oggetti a temperatura diversa (T 1 > T 2) Arrivo: Il calore fluisce dall’oggetto a T 1 verso T 2, finché T 1= T 2 5

Principio zero della termodinamica un altro possibile enunciato del Principio zero della termodinamica TA = Ttermometro TB = Ttermometro TA = T B ovvero: A e B sono in equilibrio termico ovvero: non fluisce calore da A a B Se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo, sono anche in equilibrio tra loro (proprietà transitiva) 6

Scale termometriche Scala Celsius (= gradi centigradi) 0 o l’acqua diventa ghiaccio (a pressione standard) 100 o l’acqua bolle (a pressione standard) Termometro a gas a volume costante Eseguo una misura con un gas dato Estrapolo e trovo un valore di temperatura minima ZERO ASSOLUTO la pressione 0 si ottiene per T = -273. 15 o. C Scala Kelvin DTCelsius = DTKelvin 7

Temperatura e calore La dilatazione termica Calore e lavoro Capacità termica e calore specifico Conduzione, convezione, irraggiamento 8

La dilatazione termica Sperimentalmente vedo che: T =T 0 + DT DL = a. L 0. DT a è il coefficiente di dilatazione lineare Nel Sistema Internazionale (SI) le Temperature devono sempre essere espresse in K (T = (273+t(o. C)). Ma, se indichiamo con T la temperatura in K e con t la temperatura espressa in o. C, si trova che: 9

Coefficienti di dilatazione termica Materiale a (o. C)-1 Rame 17. 10 -6 Vetro 9. 10 -6 Quarzo 0. 4. 10 -6 10

Esercizio Calcolare la dilatazione di un ponte, lungo 200 m a 20 o. C, quando sia esposto alle temperature estreme di – 30 o. C e +40 o. C, sapendo che a = 12. 10 -6 (o. C)-1 T = 40 o. C DL = a. L 0. DT = =(12. 10 -6 o. C-1)*(200 m)*(40 -20 o. C) = 4. 8. 10 -2 m = 4. 8 cm T=-30 o. C DL = a. L 0. DT = = (12. 10 -6 o. C-1)(200 m)(-30 -20 o. C) = -12. 10 -2 m = -12 cm DL totale sarà di 16. 8 cm 11

Una peculiarità dell’acqua Tra 0 o. C e 4 o. C La densità aumenta all’aumentare della temperatura Il volume diminuisce all’aumentare della temperatura Perchè un lago gela in superficie? T diminuisce fino a 4 o. C L’acqua in superficie scende (è più densa) Tutta l’acqua raggiunge i 4 o. C Sotto i 4 o. C, l’acqua in superficie è meno densa rimane in superficie e ghiaccia Si gela prima la superficie I pesci e le piante non vengono congelati 12

Temperatura e calore La dilatazione termica Calore e lavoro Capacità termica e calore specifico Conduzione, convezione, irraggiamento 13

Calore e lavoro meccanico Fino al 1800 circa: fluido calorico Conte di Rumford: calore e lavoro sono legati (1753 -1814) Joule: equivalenza tra calore e lavoro meccanico (1818 -1889) CALORIA (cal) (definita ai tempi del fluido calorico) Quantità di calore necessaria ad innalzare di 1 o. C (tra 14. 5 e 15. 5 o. C) la massa di 1 g di acqua kilo. CALORIA (kcal o Cal) Quantità di calore necessaria ad innalzare di 1 o. C (tra 14. 5 e 15. 5 o. C) la massa di 1 kg di acqua Equivalente meccanico del calore 1 cal = 4. 186 J 14

Primo principio della termodinamica Un sistema è in grado di scambiare calore con l’ambiente estermo Un sistema è in grado di compiere (o subire) lavoro sull’ambiente Lavoro compiuto positivo Un lavoro compiuto può essere svolto a spese del calore assorbito e/o dell’energia accumulata nel corpo (U), detta energia interna Per convenzione il calore assorbito è considerato positivo Associata all’energia cinetica delle molecole che formano il sistema Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia si conserva 15

Calore e lavoro meccanico Problema Mangio un gelato e una fetta di torta, per un totale di 500 kcal. Che dislivello devo fare per bruciarle? L =mgh Qui si sono trascurati tutti i termini di efficienza sia per quanto riguarda l’assimilazione del cibo, sia per quanto riguarda l’erogazione di energia meccanica da parte dell’essere umano 16

Temperatura e calore La dilatazione termica Calore e lavoro Capacità termica e calore specifico Conduzione, convezione, irraggiamento 17

La capacità termica Se cedo la stessa quantità di calore a due corpi diversi, l’aumento di temperatura sarà in generale diverso Definisco la Capacità termica Si misura in J/ K (ma avendo DT, e’ uguale a J/ o. C) Nota: Non è corretto pensare che un corpo immagazzini calore (fluido calorico) Meglio pensare in termini di quantità di calore : corretto Un corpo, messo in contatto con un altro, può scambiare (cedere/acquistare) calore Q > 0 se DT > 0 Q < 0 se DT < 0 18

Il calore specifico q A parità di capacità termica, Q e DT dipendono dalla massa q Elimino questa dipendenza definendo il calore specifico che si misura in dimensionalmente c è la quantità di calore che fa aumentare di 1 k la temperatura di una massa di 1 kg di una certa sostanza Sostanza Calore specifico J/(kg. K) Acqua (15 o. C) 4186 Ghiaccio (-5 o. C) 2100 Vapore (15 o. C) 2010 Corpo umano (in media) 3470 Proteina 1700 Legno 1700 Piombo 130 Quali conseguenze ? Dati 6000 J a 1 kg, ottengo: 19

Esercizio • Quanto calore è necessario per innalzare la temperatura di una tinozza di ferro vuota di massa 20 kg, da 10 C a 90 C, sapendo che cferro = 450 J/(kg. K) ? • Cosa succede se la tinozza è riempita con 20 kg di acqua ? • Il calore totale da fornire sarà la somma Q 1 + Q 2: 20

Esercizio n. 34, pag. T 36 Walker Un fabbro lascia cadere un ferro di cavallo che pesa 0. 50 kg dentro un secchio contenente 25 kg di acqua. Se la temperatura iniziale del ferro di cavallo è 450 o. C e quella dell’acqua è 23 o. C, qual è la temperatura di equilibrio del sistema? Si assuma che il calore non sia disperso nell’ambiente circostante e che c. Acqua=4186 J/(kg. K) e c. Ferro=448 J/(kg. K) 21

Esercizio Per determinare la temperatura di equilibrio raggiunta dal sistema, si parte dalla condizione di equilibrio in termini di quantità di calore: La temperatura di equilibrio è quindi ricavata dalla formula inversa … 22

Esercizio La capacità termica di 1. 00 kg di acqua è 4186 J/ o. K. Calcola la variazione di temperatura dell’acqua se vengono sottratti 1010 J di calore o forniti 505 J di calore. 23

Temperatura e calore La dilatazione termica Calore e lavoro Capacità termica e calore specifico Conduzione, convezione, irraggiamento 24

Conduzione Il calore può passare da un corpo ad un altro corpo in vari modi: Conduzione Convezione Irraggiamento Conduzione: Conduzione flusso diretto di calore in un materiale Sperimentalmente trovo (legge di Fourier): N. B. Il flusso del calore ha verso opposto a quello del gradiente termico 25

Conduzione • Direttamente proporzionale all’area • Direttamente proporzionale a DT • Inversamente proporzionale alla lunghezza • Direttamente proporzionale al tempo Sostanza rame ghiaccio Conducibilità termica (W/(m. K) 395 1. 6 acqua amianto 0. 60 0. 25 lana aria 0. 04 0. 0234 26

Scambio controcorrente + mani / piedi freddi • Gli organismi cercano di mantenere a temperatura costante le sedi di organi vitali • Tendono a “sacrificare” zone non essenziali per la sopravvivenza Tarteria > Tvena Conduzione termica SANGUE: Testremità < Ttronco 27

Convezione Quando scaldo un fluido (aria, acqua) questo si espande e diventa meno denso Posso avere quindi correnti convettive (convezione) • Il sole scalda terra e acqua • cterra < cacqua • L’aria più calda va verso l’alto • L’aria più fredda la rimpiazza 28

Convezione sui sentieri in montagna • Mattino: il sole comincia a scaldare la vetta • L’aria calda in vetta va verso l’alto • L’aria più fredda della valle la rimpiazza • Sera: il terreno, in ombra, si raffredda • L’aria vicino a terra si raffredda ed è più densa • Essendo più densa scende lungo il pendio 29

Irraggiamento Un corpo può emettere energia sotto forma di onde elettromagnetiche Questo effetto avviene anche nel vuoto (a differenza di conduzione e convezione) Radiazione = energia colore vedo il colore di un corpo Orione l 800 o. C: rosso acceso l 3000 o. C: bianco incandescente l 6000 o. C: superficie del sole l 20000 -30000 o. C: stelle blu incandescente Betelgeuse, rossa, fredda Rigel, blu, calda 30

La legge di Stefan-Boltzmann Energia irraggiata nell’unità di tempo = Potenza • P: potenza (energia / tempo) • e: emissività (coefficiente di emissione, efficienza di emissione; è compreso tra 0 (riflettente ideale) e 1 (assorbente ideale)) • costante s: (costante di Stefan-Boltzmann) = 5. 67. 10 -8 W/(m 2. K 4) • A: superficie del corpo • T: temperatura in Kelvin (Attenzione!) Un corpo sia a temperatura T e gli oggetti che lo circondano siano a temperatura Ts Ptotale può essere: > 0 (irraggia energia) <0 (assorbe energia) 31

Applicazioni dell’irraggiamento Il termos • Vuoto tra parete interna ed esterna ( solo irraggiamento) • Pellicola argentata ( e = 0) • Potenza irraggiata = 0 La termografia Misura l’intensità dell’irraggiamento punto a punto Condizioni di riferimento Dopo aver fumato una sigaretta 32

Riassumendo Energia e calore sono due aspetti della stessa grandezza Il trasferimento di calore tra due corpi è regolato da semplici leggi Prossima lezione: Teoria cinetica dei gas e 1 principio della 33