Lezione3_0809

Fenomeni Termici
S.Moretto
Ottobre 08
Lezione V: Fenomeni Termici
Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale
pag.1
Riassunto Lezione Precedente
•
•
•
•
•
•
•
Principi di Inerzia
Concetto di Forza
Concetto di massa inerziale
Forza Gravitazionale
Lavoro
Energia: Energia cinetica e potenziale
Conservazione dell’energia meccanica
S.Moretto
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pag.2
I FENOMENI TERMICI
Temperatura
Calore
Propagazione del calore
Termoregolazione del corpo umano
Metabolismo
S.Moretto
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pag.3
Temperatura e Gas (I)
S.Moretto
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pag.4
Temperatura e Gas (II)
S.Moretto
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pag.5
Temperatura e Gas (III)
S.Moretto
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pag.6
Temperatura e Gas (IV)
Queste grandezze sono sufficienti per descrivere corpi isolati; esse devono
però essere completate da altre quando i corpi vengono a contatto tra loro o
quando, per esempio, vengono colpiti da radiazioni
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pag.7
Temperatura
S.Moretto
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pag.8
Temperatura (II)
S.Moretto
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pag.9
Espansione Termica
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pag.10
Misura della Temperatura
S.Moretto
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pag.11
Scale termometriche
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pag.12
Acqua
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pag.13
Calore
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pag.14
Calore (II)
S.Moretto
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pag.15
Calore Specifico
S.Moretto
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pag.16
Calore: Unità di misura
S.Moretto
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pag.17
Equivalente meccanico della caloria
S.Moretto
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pag.18
Caloria: Riassunto
Unità di misura pratica : caloria (cal)
1 caloria =
quantita’ di calore necessaria
per aumentare di 1oC la temperatura
di 1 g di acqua
Se Q si esprime in cal:
L=JQ
L
J = = 4.18 joule/cal
Q
S.Moretto
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equivalente termico
del lavoro
equivalente
meccanico della
caloria
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pag.19
Calore
Differenza di
Temperatura
finale ed
iniziale
S.Moretto
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pag.20
Calore specifico
Q = c m (t2 – t1) = c m Dt
calore specifico
capacità termica
Q
c = m (t – t ) [cal /(goC)]
2
1
Il calore specifico dipende dal tipo di sostanza:
per l’acqua e’ c = 1 cal/(goC)
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pag.21
Equilibrio Termico
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pag.22
Propagazione del calore
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pag.23
Propagazione del calore
caratteristico dei fuidi
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pag.24
Irraggiamento termico
Ogni corpo emette radiazione termica ( onde elettromagnetiche)
dipendente dalla sua temperatura assoluta T
intensità = quantità di radiazione
tempo • superficie
I = Q/(Dt•DS)
W/m2
Leggi dell’emissione termica:
I  T4 (temperatura assoluta)
lunghezza d’onda massima l  1/T
Anche un corpo
“freddo” emette
radiazione termica!
Es.
Radiazione emessa dal corpo umano con febbre a 40 o (rispetto a 37o):
I40/I37 = T440(T437) = [(273+40)/(273+37)]4 = (313/310)4 = 1.0393
(3.93 % in più)
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pag.25
Termoregolazione
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pag.26
Termoregolazione (II)
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pag.27
Termoregolazione del corpo umano
Modalita’ di trasmissione del calore nel corpo umano:
interno: contatto tra organi
esterno: contatto tra cute e
aria o vestiti
interno: diffusione omogenea del
calore tramite liquidi biologici
(sangue e linfa)
CONDUZIONE
CONVEZIONE
IRRAGGIAMENTO
esterno: emissione termica
EVAPORAZIONE
esterno: sudorazione
e evaporazione
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pag.28
Temperatura e umidita’
Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalla
differenza tra la temperatura corporea e quella ambiente.
L’evaporazione dipende dal tasso di umidita’ relativa:
rapporto tra le pressioni di vapor acqueo di vapor saturo.
Quando la temperatura ambiente si avvicina ai
37oC, i normali meccanismi di trasmissione del
calore non contribuiscono più; rimane solo
l’evaporazione,ma solo se l’ambiente non e’
troppo umido.
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pag.29
Metabolismo del corpo umano
Corpo umano  “macchina” a energia interna (chimica)
t  37oC  Dt  0  DU  0
Aumento di energia (Q>0):
reazioni chimiche esotermiche
(ossidazione carboidrati, grassi, proteine)
Diminuzione di energia (Q<0):
emissione di calore nell’ambiente
lavoro esterno (attivita’ vitali)
lavoro interno (attivita’ vitali)
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I due effetti
si devono
bilanciare
pag.30
Metabolismo del Corpo Umano
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pag.31
Metabolismo del Corpo Umano (II)
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pag.32
Metabolismo del Corpo Umano (III)
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pag.33
Metabolismo del Corpo Umano (IV)
S.Moretto
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pag.34
Termodinamica
S.Moretto
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pag.35
Termodinamica
Termodinamica: Concetti
Gas Perfetto
Prima Legge Termodinamica
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pag.36
Termodinamica
S.Moretto
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pag.37
Trasformazioni termodinamiche
E’ impossibile “seguire” il moto di agitazione termica
di un gran numero di particelle (~NA=6.022•1023)
 descrizione fenomenologica
 descrizione statistica
SISTEMA TERMODINAMICO:
insieme di particelle con uguali proprietà termodinamiche
 isolato: non scambia materia né energia con l’esterno
 chiuso: non scambia materia ma scambia energia con l’esterno
TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE:
variazione dei parametri termodinamici di un sistema
 pressione
pressione costante
 isobara
 volume
volume costante
 isocora
 temperatura
temperatura costante  isoterma
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pag.38
Gas Perfetto
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.39
Gas perfetti
Un gas e’ perfetto/ideale se:
ha molecole puntiformi
 e’ trascurabile il volume proprio delle molecole
le molecole subiscono urti elastici
 dopo l’urto le particelle rimangono sempre le stesse
Di fatto e’ la stessa situazione dei liquidi perfetti
(v. Teorema di Bernoulli): si trascurano gli attriti.
In questo modo il gas perfetto risulta essere
il sistema termodinamico piu’ semplice,
caratterizzato solo dai 3 parametri termodinamici
pressione, volume, temperatura.
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pag.40
Macro e Micro
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pag.41
Condizioni iniziali dei gas perfetti
Legge di Avogadro:
in qualunque gas perfetto
a NTP
= condizioni normali di temperatura e pressione
(p = 1 atm, t = 0°C)
una mole di gas
(n=1  N = N0 = 6.022•1023 molecole)
occupa sempre un volume V0 = 22.414 litri.
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pag.42
Equazione di Stato
S.Moretto
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pag.43
Costante dei gas perfetti
p
V
0
0 T
pV =
T0
pV = p0V0
T
T0
R
Per n = 1 mole:
R =
poVo
To
=
1 atm•22.4 l
273°K•mole
105 Pa • 22.4•10–3 m3
=
273°K•mole
Finalmente 
S.Moretto
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=
=
0.082 l•atm
°K•mole
= costante
dei gas perfetti
=
n. moli,
non molecole!
8.325 J
°K•mole
equazione di stato:
pV = nRT
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pag.44
Legge dei Gas Perfetti
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.45
Leggi dei gas perfetti
Per i gas perfetti si verificano 3 (+1) leggi sperimentali:
a t cost., pV = costante
1) legge di Boyle:
2) 1a legge di Gay-Lussac: a p cost.,
Vt = V0(1+at)
3) 2a legge di Gay-Lussac: a V cost.,
pt = p0(1+bt)
con a = b =
4) legge di Avogadro:
1
273°
per due gas diversi, a p1=p2, V1=V2, t1=t2, risulta N1=N2
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.46
Zero Assoluto
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.47
Macro e Micro
VELOCITA’
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.48
Energia Interna
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.49
Primo Principio della Termodinamica
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.50
Primo Principio della Termodinamica
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.51
1o principio della Termodinamica
Conservazione dell’energia nei fenomeni termici:
il calore fornito/sottratto finisce
in parte in variazione di energia interna (temperatura)
in parte in lavoro compiuto dal/sul sistema
JQ = DU + L
Quantità di calore
Variazione di
energia interna
in joule
(J=4.18 joule/cal)
DU>0  aumento
Q>0  calore fornito DU<0  diminuzione
di temperatura
Q<0  calore sottratto
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
Lavoro compiuto
L>0  dal sistema
(espansione)
L<0  sul sistema
(compressione)
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pag.52
Gas reali
Un gas e’ reale se non e’ perfetto:
ha molecole non puntiformi
 non e’ trascurabile il volume proprio delle molecole
le molecole subiscono anche urti non elastici
 dopo l’urto le particelle possono non rimanere sempre le stesse
Un gas reale puo’ condensare e solidificare.
Parametro importante: Tc = temperatura
critica
Per T > Tc il gas non può in alcun modo passare alla fase liquida,
a causa dell’agitazione termica.
S.Moretto
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Lezione V: Termodinamica
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pag.53
Ma i gas reali sono perfetti?
Un gas reale si puo’ approssimare con un gas perfetto
quando : a) e’ a temperatura >> Tc
b) e’ lontano dalle condizioni di condensazione
(basse pressioni e grandi volumi)
Gas fisiologici e di impiego medico:
azoto
ossigeno
anidride carbonica
acqua
S.Moretto
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N2
O2
CO2
H2O
Tc
(oC)
– 147.1
– 118.8
+31.3
+374.1
Lezione V: Termodinamica
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a 37 oC:




perfetto
perfetto
???
reale
pag.54