TERMODINAMICA
Lo studio delle proprietà e della
trasmissione del calore
CALORE
• Il CALORE è una forma di energia e – come tale – può
trasformarsi in altre forme di energia; si misura
mis ra in calorie (cal) o
in joule (J); 1 cal = 4,18 J
• Troviamo il calore sotto due forme:
– Calore nei corpi (solidi o fluidi), legato all’agitazione termica delle
molecole che li costituiscono
– Calore “raggiante”,
“raggiante” che viene emesso e assorbito dai corpi (sia solidi
che fluidi, cioè liquidi o gassosi) e si propaga nello spazio circostante,
anche nel vuoto, sotto forma di onde elettromagnetiche (raggi
infrarossi)
TEMPERATURA
• La TEMPERATURA è una misura della quantità di calore
presente in unn corpo in relazione
rela ione alla “capacità termica” del
corpo stesso. Dal punto di vista microscopico, la temperatura di
un corpo
p è direttamente pproporzionale
p
all’energia
g cinetica media
delle molecole che lo costituiscono (che vibrano attorno a una
posizione fissa nei solidi, mentre traslano nei fluidi):
Eave
3
= kT
2
Con E = en.cinetica media delle molecole; T = temperatura
assoluta (°K); k = cost. di Boltzmann (k=1,38·10-23 J/°K)
TRASMISSIONE DEL CALORE
• Il calore si trasmette in tre modi:
– Per CONDUZIONE, per contatto tra corpi solidi o fluidi, senza
p
di materia calda,, ma trasmettendo energia
g cinetica
trasporto
microscopica dalle molecole di un corpo a quelle dell’altro, fluendo
naturalmente dai corpi più caldi (temperatura maggiore) a quelli più
freddi (temperatura minore)
– Per CONVEZIONE, nei soli corpi fluidi, per spostamento di materia
calda (a causa della variazione di densità della materia con il suo
riscaldamento e conseguente “galleggiamento”
riscaldamento,
galleggiamento della materia calda su
quella fredda). Es.: i movimenti di acqua dal basso in alto e viceversa in
una pentola sul fuoco
– Per IRRAGGIAMENTO,
AGG A
O per emissione
i i
di raggii infrarossi
i f
i da
d
qualunque corpo, proporzionalmente alla quarta potenza della
temperatura assoluta del corpo stesso e alla sua superficie (legge di
St f B lt
Stefan-Boltzmann)
)
Capacità termica e calore specifico
• La CAPACITA’ TERMICA di un corpo è data dal rapporto tra
il calore assorbito e il conseguente innalzamento di temperatura:
maggiore
i
è la
l capacità
ità termica
t
i e meno il corpo risente,
i t in
i
termini di temperatura, dell’immissione di calore in esso. Un
pparallelo logico
g ppuò essere stabilito con l’idraulica: la qquantità di
calore corrisponde alla quantità di liquido in un recipiente; la
temperatura al livello raggiunto dal liquido nel recipiente e la
capacità termica alla capacità idraulica del recipiente stesso.
stesso
• La capacità termica è legata sia alla sostanza di cui il corpo è
(quantità di materia capace
p
di
fatto che alla sua massa (q
“immagazzinare” il calore):
C = m·c
in cui C = capacità termica (in J/°K opp. cal/°K), m = massa del corpo (in kg);
c = calore specifico del corpo (in J/
J/°K·kg
K kg opp.
opp in cal/
cal/°K·kg)
K kg)
PRIMO PRINCIPIO
DELLA TERMODINAMICA
Il primo principio della termodinamica
costituisce una legge di conservazione
dell’energia
dell
energia, estesa all
all’energia
energia termica.
termica In
formule esso può essere espresso come:
L
Q = L + ∆U
in cui: Q è il calore scambiato da un sistema
(es : il calore comunicato da una fiamma al
(es.:
gas contenuto in un cilindro con pistone), L
è il lavoro meccanico svolto da quel sistema
(
(es.:
per sollevare
ll
il pistone
i
mentre il gas
riscaldato si espande) e ∆U è l’aumento di
energia interna del sistema (es: aumento
della temperatura del gas)
∆U
Q
SECONDO PRINCIPIO
DELLA TERMODINAMICA
Essenzialmente il secondo principio della
termodinamica sancisce ll’impossibilità
impossibilità
di produrre lavoro fisico avendo a
disposizione una sola fonte di energia
(es.: un’unica regione posta tutta a una
stessa temperatura).
Infatti, intuitivamente,
Infatti
intuitivamente per poter far “fluire” l’energia e
“captarne una frazione (= rendimento) trasformabile in
lavoro, servono due livelli energetici a disposizione,
g fluisce ((“sorgente”)
g
) e un altro in
uno da cui l’energia
cui l’energia refluisce (“pozzo”). Ad esempio, per una
macchina a vapore, la fiamma è la sorgente e
l’ambiente circostante (avente temperatura inferiore
rispetto
i tt alla
ll fiamma
fi
e verso cuii il calore
l
non utilizzato
tili t
rifluisce) è il pozzo. Tradotto in figura, Q1 è sempre
non nullo.
Q2
L
Q1
