un pò di Termodinamica

Fisica dei Puffetti – prof. Angelo Vitiello
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Termodinamica
La temperatura è una grandezza fisica scalare che si misura con il termometro. Rende oggettiva la
sensazione corporea di freddo e di caldo.
Il termoscopio è costituito da una ampolla che termina con un tubo. Se scaldiamo il liquido contenuto nell'ampolla
(alcool o mercurio), questo si dilata e sale nel tubo. Per definizione, diciamo che la temperatura del liquido è tanto
più alta quanto maggiore è la risalita del liquido nel tubo.
Il termometro, strumento utilizzato per la misura della temperatura, è un termoscopio dotato di
una scala graduata termometrica (scala termometrica).
Le scale termometriche si ottengono assegnando dei valori alla temperatura del ghiaccio fondente e ai valori di
acqua bollente.
La scala centigrada o Celsius assegnata il valore 0 (°C) alla temperatura del ghiaccio fondente
e il valore 100 (100°C) alla temperatura dei vapori dell’ acqua bollente.
Nel Sistema Internazionale la temperatura è misurata in gradi Kelvin (scala delle temperature
assolute), in questa scala lo zero è detto zero assoluto e corrisponde a -273°C.
Passaggio da una scala all’altra : da Celsius a Kelvin T (K) = t(°C) +273 K e viceversa t(°C) = T (K) - 273 K
Temperatura assoluta (T). È una grandezza fisica che si misura mediante un termometro a
gas. La relazione tra la temperatura assoluta T e la temperatura Celsius t è
Alla temperatura t = - 273,15 °C corrisponde il valore 0 K, che viene chiamato zero assoluto; è
una temperatura irraggiungibile
Equilibrio termico è la condizione di due o più corpi che, essendo rimasti a contatto per un
tempo sufficiente, hanno la stessa temperatura.
Il termometro si basa principio dell’ equilibrio termico e sfrutta la dilatazione termica dei liquidi nel tubo.
Tutti i corpi , sottoposti a una variazione di temperatura subiscono una variazione di volume. Il
volume cresce se la temperatura aumenta e viceversa.
Per corpi a dimensione lineare, la variazione di lunghezza Δl è legata alla variazione di
temperatura Δt dall’equazione: Δl = λ l0 Δt , dove Δt è la variazione di temperatura, l0 è la
lunghezza iniziale (a 0°) e λ è un coefficiente caratteristico della sostanza detto coefficiente di
dilatazione termica lineare. La lunghezza finale è data da l = l0 (1+ λ Δt).
Un corpo (solido o liquido) di volume iniziale V0 se sottoposto a una variazione di temperatura
Δt , subirà una variazione di volume ΔV data da ΔV = k V0 Δt, dove k è un coefficiente
volumetrico il cui valore è caratteristico della sostanza in esame ed è uguale a circa 3 λ.
V= V0 (1+ λ0 Δt).
Dilatazione termica dei gas e trasformazioni dei gas
Anche per un gas mantenuto a pressione costante , isobarica, vale la formula V = V0 (1+ αΔt).
(prima legge di Gay-Lussac) Per tutti i gas la costante a vale α = 1/ 273,15 °C
Il calore e la Calorimetria
Si ha passaggio di calore quando c’è un dislivello di temperatura: il calore passa da un corpo
caldo a uno freddo
Calore . È energia termica dovuta all’agitazione delle particelle che compongono un corpo o un
fluido. Si propaga da un corpo più caldo a uno più freddo. L’unità di misura nel S.I. del calore
è il Joule.
Per aumentare di 1 K la temperatura di 1 Kg di acqua è necessario un lavoro di 4186 J
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Capacità termica ( C ). Misura quanta energia è necessaria per aumentare di 1 K la
temperatura di un corpo. Se, fornendo a un oggetto una quantità ΔE (o Q) di energia, la sua
temperatura aumenta di una quantità ΔT, la sua capacità termica è data da:
C = ΔE / ΔT Nel Sistema Internazionale si misura in J/K.
Calore specifico ( c ). Il calore specifico di un corpo è uguale alla sua capacità termica C divisa
per la sua massa m:
c = C / m. ed è in genere riferito ad una sostanza. Nel Sistema
Internazionale si misura in J / kg ∙ K.
La quantità ΔE di energia necessaria a fare aumentare di ΔT la temperatura di un corpo di massa
m e calore specifico c è: ΔE = c m ΔT. Legge fondamentale della calorimetria.
Calorimetro . È un recipiente costruito in modo che le sue pareti siano ottimi isolanti termici.
Al suo interno gli esperimenti di termologia possono essere compiuti con buona precisione
perché non si ha dispersione di calore.
Caloria È la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1g di acqua
distillata da 14,5 °C a 15,5 °C alla pressione atmosferica.
Non è una unità di misura del Sistema Internazionale. Una caloria (cal) è uguale a 4,186 J. Un
suo multiplo, la kcal, è molto utilizzato nelle scienze dell’ alimentazione.
Il calore specifico dell’acqua è pari ad una caloria per grammo e grado centigrado quindi 4185 J/(KgK); è
molto maggiore di altre sostanze . Ciò rende conto del fatto che, a parità di massa, è più difficile scaldare l’ acqua
che non la pentola in cui essa è contenuta.
(Alcuni calori specifici (in J/(Kg K) : Al 880, Fe 460, Cu 387 , vetro 800 )
Conduzione. E’ la modalità di propagazione del calore caratteristica dei solidi. Il calore si
propaga all’interno del solido attraverso lo spostamento di elettroni (nei metalli) e gli urti tra le
molecole più veloci e quelle più lente, senza che vi sia trasporto di massa. Per una parete di
spessore d e area S, che separa due ambienti tra cui vi sia una differenza di temperatura ΔT, vale
Q
∆T
la relazione
= k ⋅S ⋅
dove Q è la quantità di energia che attraversa la parete
∆t
d
nell’intervallo di tempo Δt. La costante k è una proprietà del materiale di cui è costituita la
parete che si chiama coefficiente di conducibilità termica. (k del rame è 382 W/mK, del muro è 3
W/mK e del polistirolo è 0,01 Kcal/mkh)
Convezione. E’ la modalità di propagazione del calore caratteristica dei fluidi. Un fluido
riscaldato si espande e tende a salire verso l’alto, mentre altro fluido freddo lo rimpiazza; questo
movimento trasporta calore in tutto il volume occupato dal fluido.
Irraggiamento. E’ la modalità di propagazione del calore nello spazio vuoto. Ogni corpo è in
grado di emettere o di assorbire radiazioni elettromagnetiche, che trasportano energia. L’energia
trasportata dalle onde elettromagnetiche si manifesta come calore quando viene assorbito dai
corpi.
La Terra è riscaldata dal Sole per irraggiamento; le parti basse dell’atmosfera sono riscaldate dal suolo per
conduzione che per convezione riscalda l’aria a quote superiori.
Costante solare. Misura la quantità di energia che incide ogni secondo su una superficie di 1 m2
che si trovi al di fuori dell’atmosfera disposta perpendicolarmente ai raggi e vale 1350W/m2.
Effetto serra. E’ l’aumento di temperatura che avviene in un ambiente in cui penetrano le
radiazioni visibili e tendono a rimanere intrappolate le radiazioni infrarosse.
Senza l’effetto serra naturale la temperatura media dell’atmosfera sarebbe -20 °C invece che gli attuali 15°C. La
capacità dell’atmosfera di trattenere le radiazioni infrarosse è relazionata alle quantità e qualità di gas in essa
contenuta.
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I cambiamenti di stato
Sulla Terra la materia si presenta in tre forme
diverse: stato solido, stato liquido e stato gassoso (o
aeriforme).
I cambiamenti (o passaggi di stato) hanno le
denominazioni riportate nella seguente figura :
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