Temperatura e calore
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Termologia Termodinamica 1 Termodinamica: introduzione termodinamica classica usa un approccio MACROSCOPICO, secondo il quale la materia è vista come un continuo, ignorandone la natura particellare. Tiene conto di quello che i nostri sensi possono rilevare delle proprietà e del comportamento della materia, e fornisce un metodo diretto e semplice per la risoluzione dei problemi ingegneristici in realtà la materia è costituita da un numero grandissimo di particelle, le molecole. Descrivere il comportamento della materia dal punto di vista MICROSCOPICO richiederebbe la conoscenza del comportamento delle singole molecole e ciò rende il problema assai più complesso: l’unica possibilità è quella di affidarsi alla statistica, che considera il comportamento medio delle particelle termodinamica statistica 2 PROPRIETA’ FISICHE DI UN SISTEMA La descrizione macroscopica di un sistema è fatta in termini di PROPRIETA’ fisiche che possono essere, in linea di principio, misurate con l’aiuto di appropriati strumenti di laboratorio nome massa temperatura volume pressione simbolo m T unità di misura kg K PROPRIETA’ V p m3 GRANDEZZA DI STATO Pa = N m-2 densità energia E J energia interna U J Kg m-3 COORDINATA TERMODINAMIC A Le particolari classi di fenomeni studiati non richiedono la conoscenza di tutte le proprietà fisiche che caratterizzano il sistema termodinamico, bensì ciascuna analisi richiederà un numero limitato, in genere piuttosto piccolo, di proprietà legate alla particolare fenomenologia 3 Proprietà: classificazione proprietà estensive Si pensi di suddividere un sistema in un certo numero di sottosistemi. Una proprietà è ESTENSIVA se il suo valore per l’intero sistema è pari alla somma dei valori relativi a tutti i sottosistemi che lo compongono volume, massa, energia proprietà intensive Si supponga di far tendere ad un valore infinitesimo l’estensione di un sistema. Le proprietà i cui valori non tendono a zero sono dette INTENSIVE: il loro valore non dipende dalla estensione del sistema temperatura, pressione 4 Proprietà fisiche (segue) Un semplice criterio è applicabile ad un sistema per stabilire quale delle proprietà che lo caratterizzano è intensiva e quale estensiva. Si suddivide il sistema in due parti uguali: ciascuna parte avrà le stesse proprietà intensive di prima, e proprietà estensive dimezzate p, T m, V, E p, T 0.5m, 0.5V, 0.5E p, T 0.5m, 0.5V, 0.5E 5 Stato termodinamico ed equilibrio La termodinamica tratta dei sistemi in stato di equilibrio. Si parla di stato di equilibrio termodinamico se il risultato delle misure macroscopiche eseguite sulle proprietà del sistema non muta nel tempo equilibrio termodinamico equilibrio termico si ha quando la temperatura è la stessa in ogni punto del sistema, cioè se il sistema non presenta gradienti di temperatura che sono la causa del flusso termico equilibrio meccanico si ha quando in nessun punto vi sono variazioni di pressione nel tempo equilibrio chimico si ha quando la composizione chimica del sistema non varia nel tempo, cioè non si verificano reazioni chimiche 6 7 TEMPERATURA La TEMPERATURA è una proprietà intensiva che può essere direttamente misurata correlandone la variazione per un sistema alla corrispondente variazione di una proprietà di un altro sistema detto TERMOMETRO, il cui stato è fatto variare vincolando le altre proprietà scelte come indipendenti I sistema e il termometro debbono essere all’equilibrio termico essendo separati da pareti rigide e fisse ma non adiabatiche Se la lettura di due sistemi è uguale si può dire che questi hanno la stessa temperatura PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA X1,Y1 X2,Y2 X3,Y3 parete adiabatica parete conduttrice se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, sono in equilibrio tra loro 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 EQUAZIONE DI STATO (segue) 18 EQUAZIONE DI STATO (segue) 19 20 21 22 23 24 25 26 Energia, calore, lavoro energia L’energia è una proprietà estensiva del sistema. Può esistere in numerose forme: energia termica, cinetica, potenziale, elettrica, magnetica, chimica, nucleare E’ utile classificare le varie forme di energia che costituiscono l’energia totale di un sistema in due gruppi: Sono quelle che un sistema possiede nel suo forme complesso, rispetto a un qualche sistema esterno macroscopiche di riferimento; sono legate al movimento e all’influenza di alcuni fenomeni esterni come la gravità, il magnetismo, l’elettricità e la tensione superficiale Sono quelle legate alla struttura forme molecolare del sistema e al microscopiche grado di attività molecolare; sono indipendenti dal sistema di ENERGIA riferimento esterno INTERNA, U ENERGIA TOTALE, E 27 Energia, calore, lavoro Il contenuto di energia di un sistema può essere variato secondo tre differenti modalità: SISTEMI CHIUSI CALORE LAVORO SISTEMI APERTI a seguito di trasferimento di massa CALORE Si parla di energia trasferita come CALORE se la causa che determina il flusso di energia è la differenza di temperatura all’interfaccia che separa il sistema dall’esterno LAVORO Se il flusso di energia (escluso quello legato al flusso di massa) avviene per cause non riconducibili ad una differenza di temperatura si parla di modalità LAVORO 28 Energia, calore, lavoro energia totale energia interna energia potenziale energia cinetica CALORE LAVORO sono tutte forme di energia unità di misura [J] energia totale energia interna Volume specifico CALORE LAVORO sono GRANDEZZE DI SCAMBIO energia potenziale energia cinetica sono GRANDEZZE DI STATO 29 30 31 32 33 34 Trasformazioni termodinamiche 35 36 37 Lavoro termodinamico 38 Osservazioni sperimentali 39 Lavoro e Calore 40 Convenzioni su calore e lavoro 41 PRIMO PRICIPIO DELLA TERMODINAMICA 42 PRIMO PRICIPIO DELLA TERMODINAMICA 43 Trasformazioni cicliche 44 Grafici di diverse trasformazioni 45 46 Trasformazioni per un gas perfetto 47 Trasformazioni per un gas perfetto 48 49 50 51 52 53 54 Diagramma di fase 55 56 Umidità relativa 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Irraggiamento termico 81 82 83 LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA Concetti di base - Radiatori IR I radiatori sono essenzialmente di due tipi: - Radiatore termico: la curva di distribuzione è di tipo continuo e presenta un unico valore massimo. - Radiatore selettivo: la curva di distribuzione spettrale è di tipo discontinuo e presenta n bande strette di emissione caratterizzate da n picchi massimi in funzione della concentrazione molecolare. L’insieme delle sottobande rappresenta una unica segnatura. 84 LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA Concetti di base -Caratterizzazione dei Radiatori IR La caratterizzazione di un radiatore sarà effettuata facendo ricorso all’uso di un appropriato riferimento è il: CORPOcheNERO o BLACK BODY Il Corpo nero è un corpo capace di assorbire totalmente la radiazione incidente a prescindere dalla sua lunghezza d’onda così come descritto dalla legge di Planck 85 Termometria IR le tecniche di misura invasive viste fin qui non possono essere utilizzate quando: occorre misurare corpi o ambienti a temperatura SUPERIORE alla MAX di impiego dei sensori invasivi occorre misurare la temperatura di corpi o ambienti distanti o comunque INACCESSIBILI occorre misurare la temperatura di corpi o ambienti chimicamente AGGRESSIVI o RADIOATTIVI in questi casi l’emissione di radiazione e.m. radiazione elettromagnetica del CORPO NERO e e ,n e ,n , T I ,n,e , T VARIABILE TERMOMETRICA ,n , T C1 5 e C2 T 1 LEGGE DI PLANCK W m2 m1 86 Irraggiamento a varie temperature 108 108 T=5800 K T=5800 K 107 107 106 ] 105 -1 m. T=550 K 102 T=280 K T=550 K 104 103 ,n 103 10 [We T=1100 K 104 T=1100 K 5 -2 m . -2 -1 e,n [W.m .m ] 106 maxT=2897.6 [m.K] 102 T=280 K 1 10 101 0.1 1 [m] 10 0 5 10 15 20 [m] 87 88 89 90
