termodinamica - Università di Pavia

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA
dip. Fisica nucleare e teorica
via Bassi 6, 27100 Pavia, Italy
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elio giroletti
TERMODINAMICA
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
Classe Lauree
di INFERMIERISTICA e OSTETRICIA
corso integrato
FISICA, STATISTICA e INFORMATICA
disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e
teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
TERMODINAMICA
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
- CONCETTI GENERALI, parte I+II
- PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA
- STATO GASSOSO
- BILANCIO TERMICO
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
1
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TERMODINAMICA
Parte I + II
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
- Concetti generali
- Temperatura
- Stato e trasformazione termodinamica
- Energia interna
-Calore e calore specifico
- Lavoro in termodinamica
- I° e II° principio della termodinamica
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
TERMODINAMICA
Parte I
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
- Principi generali
- Temperatura
- Stato e trasformazione termodinamica
- Energia interna
-Calore e calore specifico
- Lavoro in termodinamica
- I° e II° principio della termodinamica
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e
teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
TEMPERATURA
N o = 6,02 1023
formulazione fenomenologica
formulazione statistica
SISTEMA TERMODINAMICO
STATO TERMODINAMICO
[macrostato]
Sistema termodinamico: isolato da una
superficie (reale o virtuale)
Parametri termodinamici
• Temperatura, pressione, volume e stato aggregazione
• Quantità calore, energia interna, entropia, energ. libera
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
3
TEMPERATURA
grandezza fondamentale
indice dello stato termico di un corpo
(caldo
caldo – freddo)
freddo
correlazione con altre grandezze fisiche:
V(t) = Vo (1 + α t) (dilatazione)
2 corpi a contatto
e isolati raggiungono
la stessa temperatura
termometri
h(t) = ho + (1+αt)
esistono altri sistemi, es.:
es.:
• resistenza R=R0(1+α
(1+α∆T)
• IR (più
(più preciso)
termometro clinico
(tMAX si conserva)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
42°
41°
40°
39°
38°
37°
36°
100°
50°
0°
°C
TEMPERATURA
scale di temperatura
°C
°F
°K
200°
100°
400°
300°
0°
373°
212°
273°
32°
–100°
200°
–148°
–200°
100°
–328°
–273°
0°
–459.4°
t
T
scale centigrade
CELSIUS, °C
⇒t
0° - 100° H2O
KELVIN, °K
⇒T
T(°K) = t(°C) + 273°
FAHRENHEIT
t (°F) = 32° + 9
5
t (°C)
°K, SI: misura temperatura termodinamica
EQUILIBRIO TERMICO ∆t ≡ ∆T = 0
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e
teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
TEMPERATURA
microstato
N o = 6.02 1023
noti tutti i parametri delle particelle che
compongono il sistema termodinamico
Sistema termodinamico: isolato da una superficie
(reale o virtuale)
scambio
SISTEMA ISOLATO
SISTEMA CHIUSO
no materia - no energia
no materia - si energia
EQUILIBRIO (DINAMICO):
parametri termodinamici costanti nel tempo
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1
TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE
parametri termodinamici tornano
ai valori iniziali
parametri termodinamici non tornano
APERTA
ai valori iniziali
REVERSIBILE successione stati di equilibrio
(trasformazione ideale)
IRREVERSIBILE successione stati non di equilibrio
(trasformazione reale)
ISOTERMA
a temperatura costante
ISOCORA
a volume costante (detta isometrica)
ISOBARA
a pressione costante
sistema termicamente isolato
ADIABATICA
(niente scambio di calore, ∆Q=0)
CHIUSA
TRASFORMAZIONI DI STATO
PROCESSI CHIMICI, BIOCHIMICI
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ENERGIA INTERNA U
moto di agitazione termica
Tparticella
energia di legame e potenziale
Uparticella
funzione di stato energia interna U
∑
(Tparticella +
particelle
U=
Uparticella )
dipende da parametri termodinamici
volume, temperatura, pressione e stato aggregazione
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e
teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
CALORE
temperatura t,T: indice stato termico di un corpo
calore Q: forma di energia
Q = quantità
quantità di calore
travaso energia interna tra corpi
unità di misura pratica: caloria (cal)
1 g H2O 14,5°C
15,5°C
1000 cal = 1 kcal = 1 Cal
se il calore è energia,
energia,
il lavoro meccanico può produrre calore?
calore?
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5
Foto: Giancoli, Ed. Ambrosiana, 2000
CALORE
Un birraio inglese, Prescott Joule (1818-1889), fece un
esperimento sull’equivalente meccanico del calore:
il calore, come il lavoro, è trasferimento di energia
• equivalente termico del lavoro, J
• equivalente meccanico della caloria, J
princ.
princ. equivalenza
lavorolavoro-calore
J = L = 4,186 joule cal–1
Q
L = J Q(caloria) L = Q(joule)
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1
CALORE SPECIFICO
sperimentalmente, a pressione e volumi costanti
Q = c m (t2 – t1) = c m ∆t
calore specifico
capacità termica
Q
c = m (t – t ) [cal g–1 °C–1]
2
1
c = c(t)
lontano da
cambiamenti di stato
H2O: c(14,5°C) = 1 cal g–1 °C–1
Corpo umano: = 0,83 cal g–1 °C–1
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Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e
teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
LAVORO in TERMODINAMICA
convenzione generale
LAVORO COMPIUTO DAL SISTEMA: positivo
LAVORO COMPIUTO SUL SISTEMA: negativo
F=pS
gas
h
L = p x S x h = p x ∆V
trasformazione isocora
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L=0
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TERMODINAMICA
Parte II
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
- Principi generali
- Temperatura
- Stato e trasformazione termodinamica
- Energia interna
-Calore e calore specifico
- Lavoro in termodinamica
- I° e II°
II° principio della termodinamica
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
ENERGIA INTERNA U
moto di agitazione termica
Tparticella
energia di legame e potenziale
Uparticella
funzione di stato energia interna U
∑
(Tparticella +
particelle
U=
Uparticella )
dipende da parametri termodinamici
volume, temperatura, pressione e stato aggregazione
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teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
I° PRINCIPIO della TERMODINAMICA
1
= funzione di stato energia interna
TRASFORMAZIONE CHIUSA: ∆U = 0
TRASFORMAZIONE APERTA: ∆U = U2 – U1 ≠ 0
U
PRINCIPIO di CONSERVAZIONE
dell'ENERGIA
I° PRINCIPIO TERMODINAMICA
∆U = JQ – L
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scambiati con esterno
*
II°
II° PRINCIPIO della TERMODINAMICA
I° PRINCIPIO
conservazione energia
non tutte le trasformazioni di energia sono ammesse
limitazioni
Q sempre possibile
L impossibile con una sola sorgente
L
Q
U non dà indicazione sul verso in cui un
processo termodinamico procede spontaneamente
II° PRINCIPIO
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II°
II° PRINCIPIO della TERMODINAMICA
enunciati equivalenti
Kelvin
non esiste macchina termica che
trasformi calore in lavoro meccanico
con un solo termostato
(cioè servono almeno due termostati)
Clausius
non esiste trasformazione in cui calore
passa da termostato freddo a
termostato caldo spontaneamente
(senza lavoro compiuto dall'esterno)
η =rendimento= lavoro utile /calore = L/Q
η <100%
entropia = ∆S= ∆Q/T (aumenta sempre)
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teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B
MACCHINE E CALORE
η =rendimento= lavoro utile /calore = L/Q
η <100%
TRE TIPI DI MACCHINE
• Trasferimento calore in lavoro meccanico,
es. treno a vapore, η <100%
• Trasf.
Trasf. Energia meccanica in altra forma di
energia (es. chimica) in lavoro, es. cascatacascataenergia elettricaelettrica-pompa,
pompa, η <100%
• Trasf.
Trasf. energia meccanica (o elettrica) in calore
• es. dighe.)
dighe-elettricità
elettricità-calore, η =100% (teor
(teor.)
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SISTEMI ISOLATI
• entalpia = ∆H = p ∆V+ ∆U
• entropia = ∆S = ∆Q /T (aumenta sempre)
• energia libera di Gibss = G = H – TS
• reazione esotermica:
esotermica: cede calore
• reazione endotermica: assorbe calore
• reazione esoergonica:
esoergonica: ∆G <0
• reazione endoergonica:
endoergonica: ∆G >0
Sistemi isolati, ∆U=0
• -∆S <0, entropia aumenta sempre
Sistemi isolati, ∆U=0, isotermi e isobari
• es.: processi biochimici
• ∆G ≤ 0, energia libera diminuisce sempre
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
SISTEMI ISOTERMI e ISOBARI (∆T = 0 , ∆p = 0)
∆G < 0 G tende ad un minimo
(II°
(II° PRINCIPIO TERMODINAMICA)
∆S ≥ JQ
T
JQ ≤ T ∆S
irr
(I°
(I° PRINCIPIO TERMODINAMICA)
L + ∆U = JQ
∆H – JQ = 0
processi
biochimici
p ∆V + ∆U = JQ = ∆H
∆H – T ∆S ≡ ∆G ≤ 0
∆G ≤ 0
G = H – T S = energia libera di Gibbs
∆G < 0 PROCESSO ESOERGONICO
∆G > 0 PROCESSO ENDOERGONICO
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TERMODINAMICA
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
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