UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TERAMO
FACOLTÀ DI MEDICINA VETERINARIA
CORSO DI LAUREA IN TUTELA E BENESSERE ANIMALE
Corso di FISICA MEDICA
Docente: Chiucchi Riccardo
A.A. 2015 /2016
mail:[email protected]
Medicina Veterinaria: CFU 5 (corso integrato con Statistica e Informatica :
CFU 5)
Tutela e benessere animale: CFU 5
Durata del corso: 35 ore
TERMODINAMINCA
La termodinamica è quella parte della fisica che
studia i processi di trasformazione dell’energia
meccanica in calore e viceversa, subite da un sistema
fisico, detto sistema termodinamico.
Studio macroscopico
Termodinamica
Studio microscopico
Meccanica statistica
Sistema termodinamico
Il sistema termodinamico è la porzione di
materia oggetto dello studio che si ritiene
separata dall’ambiente circostante esterno.
L’ insieme di sistema termodinamico e ambiente
esterno costituisce l’universo.
Sistema chiuso, aperto e isolato
• Un sistema si dice aperto se può scambiare con
l’ambiente esterno sia energia che materia.
• Un sistema si dice chiuso se può scambiare con
l’ambiente esterno energia ma non materia.
• Un sistema si dice isolato se non può scambiare
con l’ambiente esterno né energia né materia.
Stato di un sistema
Lo stato di un sistema termodinamico che si trova in
equilibrio è descritto dalle seguenti grandezze
termodinamiche dette variabili di stato:
• temperatura (T);
• pressione (p);
• volume (V).
Equilibrio
Un sistema termodinamico si dice in equilibrio
quando le variabili di stato rimangono costanti e
non variano spontaneamente.
Trasformazione termodinamica
Quando in un sistema le variabili di stato
cambiano finché non si raggiunge una nuova
condizione di equilibrio, si dice che il sistema ha
subito una trasformazione termodinamica.
Trasformazioni reversibili
Una trasformazione si dice reversibile se può
essere considerata come un susseguirsi di stati
d’equilibrio e le variabili di uno stato differiscono
da quelle dello stato successivo per quantità
infinitesime.
Caratteristiche della trasformazioni
reversibili
• Ideali (tempi di realizzazione infiniti);
• le variabili di stato sono ben definite perché il
sistema si trova sempre in equilibrio;
• Possono essere percorse in entrambi i versi:
-dallo stato iniziale verso lo stato finale;
-dallo stato finale verso lo stato iniziale.
Trasformazioni irreversibili
Una trasformazione si dice irreversibile quando
il sistema passa attraverso degli stati non di
equilibrio.
Trasformazioni cicliche
Una trasformazione si dice ciclica quando lo
stato iniziale e lo stato finale del sistema
coincidono.
Piano di Clapeyron
Gli stati di un sistema vengono
spesso rappresentati nel piano
di Clapeyron che è un piano
cartesiano costituito da due
assi
ortogonali
nei
quali
nell’ascissa viene riportato il
volume V e in ordinata la
pressione p.
La pressione
La pressione p è una grandezza fisica data dal
rapporto tra la forza esercitata ortogonalmente
su una superficie e l’area di quella superficie.
F
p
A
Unità di misura della pressione
Nel Sistema Internazionale l’unità di misura della
pressione è il N/m2 a cui viene dato il nome di
Pascal.
N
m
2
Pa
Altre unità di misura della pressione
Altre unità di misura sono:
• atmosfera (atm);
• bar;
• mmHg.
1atm = 760 mmHg = 1,01325 bar = 101325 Pa
Temperatura e equilibrio termico
La temperatura è una grandezza fisica che indica lo
stato termico di un corpo e viene misurata per mezzo
di uno strumento detto termometro.
Ponendo a contatto due oggetti che si trovano a due
differenti stati termici, il corpo più caldo cederà calore
a quello più freddo fino a quando entrambi avranno lo
stesso stato termico e la stessa temperatura.
Il principio zero della termodinamica
Il principio zero della termodinamica afferma
che se due corpi, ognuno in equilibrio termico
con un terzo, sono l’equilibrio termico tra loro.
Scale termometriche: la scala Celsius
La scala termometrica più comune è la scala
Celsius basata sui punti fissi di fusione del
ghiaccio e di ebollizione dell’acqua a cui si
attribuiscono i valori rispettivamente di 0°C e di
100°C.
L’intervallo tra questi due punti viene diviso in
100 parti uguali ognuna corrispondente a 1°C.
Scale termometriche: la scala Kelvin
Nel Sistema Internazionale, la temperatura viene
misurata in kelvin (K).
Vale la seguente relazione:
T
K
t
C
273,15K
0K
273,15 C
0 C 273,15K
27 C 300K
Le due scale differiscono solo di una costante
pertanto la differenza tra due temperature è la
stessa nelle due scale.
T
K
T
C
Temperatura assoluta
Nella scala Kelvin, la temperatura è misurata a
partire dal valore di 0K (zero assoluto) e si
chiama temperatura assoluta.
Lo zero assoluto è una temperatura limite non
raggiungibile e corrisponde a -273,15°C.
Dilatazione termica
Si è notato che all’aumentare della temperatura di
un corpo, corrisponde un suo aumento di
dimensioni. Questo incremento può essere lineare,
superficiale o di volume.
Dilatazione termica lineare
Sperimentalmente si è osservato che se una sbarra
solida, subisce un aumento di temperatura ΔT, il
suo corrispondente incremento di lunghezza ΔL
sarà dato da:
L Lλ T
0
L
0
L L (1+λ T)
0
lunghezza iniziale della sbarra
λ= coefficiente di dilatazione lineare
Tabella dei coefficienti di dilatazione
lineare di alcune sostanze
x 10-6 /°C
Dilatazione termica volumica
Se un corpo è a forma di parallelepipedo, ad un
aumento di temperatura Δt corrisponderà un
aumento in volume ΔV dato da:
V Vα T
0
V
0
V V (1+α T)
0
volume iniziale del corpo
α = coefficiente di dilatazione volumico
t = temperatura del gas
sperimentalmente si è visto che α 3λ
Dilatazione volumica dei liquidi
I coefficienti volumici delle sostanze liquide
hanno un valore molto più grande di quelli dei
solidi.
Tabella dei coefficienti di dilatazione
volumica di alcune sostanze liquide
x 10-3 /°C
Comportamento anomalo dell’acqua
Nell’intervallo di temperatura che va da 0 °C a 4 °C
il
volume
dell’acqua,
invece
diminuisce.
Dopo i 4 °C il volume aumenta.
di
aumentare,
Quando la temperatura esterna si abbassa
il volume dello strato superficiale dell’acqua
m
diminuisce e la densità aumenta (d
)
V
la parte superiore dell’acqua diventa più densa della
parte inferiore
lo strato più denso scende verso il basso e il suo posto
viene preso dall’acqua più calda proveniente dal basso
che è meno densa
questo processo prosegue fino a che l’acqua non
raggiunge la temperatura media di 4 °C
quando la temperatura superficiale
si abbassa oltre 4 °C
il volume lo strato superficiale aumenta
e di conseguenza la sua densità diminuisce
l’acqua della parte superiore diventa meno densa
dell’acqua della parte inferiore
lo strato superiore dell’acqua rimane in superficie
perché meno denso fino a quando non diventa
ghiaccio
Dilatazione termica dei gas
Nei gas a bassa pressione, il coefficiente di
dilatazione volumetrica α tende per tutti i gas
ad un valore limite pari a:
α
1
273,15 C
Prima legge di Gay-Lussac o Charles
In un gas che compie una trasformazione
Isobara cioè a pressione costante, il volume V
del gas è dato da:
V V (1+αt)
0
V
0
volume del gas a 0°C
t temperatura del gas in °C
Animazione 1° Gay-Lussac
Legge di Boyle-Mariotte
In un gas che compie una trasformazione Isoterma
cioè a Temperatura costante, il prodotto della
pressione p del gas, per il suo volume V è costante.
p V costante
Animazione Boyle-Mariotte
Seconda legge di Gay-Lussac
In un gas che compie una trasformazione Isocora
cioè a volume costante, la pressione p del gas è
data da:
p p (1+αt)
0
p
0
pressione del gas a 0°C
t temperatura del gas in °C
Gas perfetto o ideale
Un gas si dice perfetto o ideale quando ha le
seguenti caratteristiche:
• rispetta la legge di Boyle-Mariotte;
• rispetta la prima legge di Gay-Lussac o Charles;
• rispetta la seconda legge di Gay-Lussac;
I gas reali possono ritenersi perfetti quando sono a
bassa pressione e ad alta temperatura.
Caratteristiche di un gas perfetto
• Le molecole del gas perfetto sono identiche,
puntiformi, indistinguibili;
• non c’è dispersione di energia cinetica negli urti che le
molecole compiono tra di loro e contro le pareti del
recipiente (urti perfettamente anelastici);
• le forze di interazione tra le molecole sono trascurabili;
• il volume del gas è trascurabile rispetto al volume del
contenitore.
Equazione di stato dei gas perfetti
pV nRT
n numero delle moli
J
R costante universale dei gas = 8,314
mol K
ricordando che il numero delle moli n è legato al
numero di molecole N dalla seguente relazione: N
dove N
A
6,02 10 è il numero di Avogadro
23
nN
A
Energia cinetica del gas ideale
• Consideriamo un gas racchiuso in un contenitore;
• la pressione dei gas risulta dagli urti delle molecole
con le pareti del recipiente;
• si dimostra che la temperatura T del gas e l’energia
cinetica media E delle molecole sono legate dalla
1
3
2
seguente relazione: EKm
m v
kB T
2
2
Km
Energia interna
L’energia interna U di un gas è data dalla somma
delle energie cinetiche e potenziali di tutte le
molecole del gas. Nel gas perfetto, dato che le
molecole non interagiscono, l’energia potenziale
l’interazione
è
nulla
monoatomico si ha:
quindi
se
il
gas
è
Il calore
Il calore Q è l’energia che viene trasferita da un
sistema all’altro a causa di una differenza di
temperatura.
L’unità di misura del calore è il joule (J).
Il calore Q è positivo se viene assorbito dal
sistema mentre è negativo se viene ceduto.
Equivalente meccanico del calore
Per
mezzo
dell’apparato
sperimentale rappresentato in
figura, il fisico inglese J.P.Joule
dimostrò
l’equivalenza
tra
energia meccanica e calore.
La massa che cade fa girare le pale
che agitano l’acqua nel contenitore
riscaldandola.
La quantità di lavoro L che le masse
compiono sull’acqua innalzandone la
temperatura di una quantità ΔT è
nota.
Eseguendo più volte l’esperimento, Joule
dimostrò che: L costante = 4,186 J
Q
cal
cioè 4,186J di lavoro sono equivalenti a una
caloria.
La caloria
La caloria viene definita come la quantità di
calore e necessaria per innalzare un grado, tra
14,5°C e 15,5°C, la temperatura di un grammo di
acqua.
Capacità termica
Consideriamo un sistema termodinamico a cui
viene ceduta una quantità di calore Q e che quindi
subisce una variazione temperatura ΔT.
Si definisce capacità termica C, la grandezza
data da:
C
Q
T
Q
C
T
Calore specifico
La variazione di temperatura ΔT di un corpo a
causa del trasferimento della quantità di calore
Q, dipenderà dalla massa dell’oggetto e dal
materiale di cui è fatto l’oggetto.
Q
mc
T
c=calore specifico del materiale
m=massa dell’oggetto
Q=quantità di calore trasferito
Calore latente
Si definisce calore latente λ, la quantità di calore che
deve essere fornita ad una sostanza per farla passare
dallo stato solido a quello liquido (calore latente di
fusione), o dallo stato liquido a quello di vapore (calore
latente di evaporazione).
Il corpo di massa m, subisce un cambiamento di stato
mantenendo la propria temperatura costante e il calore
Q scambiato durante questo processo è dato da: Q=mλ.
Transizioni di fase
Calorimetria
La calorimetria costituisce l’insieme delle tecniche per
mezzo delle quali si possono misurare e determinare
le quantità di calore scambiate.
Alla base della calorimetria c’è il principio di
conservazione dell’energia per cui la quantità di
calore ceduta da una parte del sistema deve essere
uguale alla quantità di calore assorbita dall’altra parte
del sistema (sistema isolato).
Trasmissione del calore: conduzione
Si
ha
una
trasmissione
del
calore
per
conduzione quando si ha uno scambio diretto di
energia tra due corpi messi in contatto.
L’energia passa dal corpo a temperatura
maggiore a quella temperatura minore.
Q
T T
kA
t
L
1
2
quando T
1
T
2
con t tempo;
k=costante di conducibilità termica
L=distanza tra le due estremità;
T =temperatura del corpo 1;
1
T =temperatura del corpo 2;
2
A=area della sezione trasversale dell'oggetto.
Trasmissione del calore: convezione
La convezione è un meccanismo di propagazione dell’energia
che avviene nei fluidi mediante lo spostamento di materia.
Quando un fluido viene riscaldato, le sue parti più vicine alla
sorgente di calore aumentano la loro temperatura e quindi
avendo una densità minore si spostano verso l’alto e il loro
posto viene preso da porzioni più fredde del fluido. Si crea
così una formazione di correnti che procedono in versi
opposti.
Convezione : alcuni esempi
Trasmissione del calore: irraggiamento
Si ha una trasmissione del calore per irraggiamento
quando il trasporto di energia avviene in assenza di
un mezzo materiale come ad esempio nel caso delle
onde elettromagnetiche.
