Fisica dei Puffi– prof. Angelo Vitiello
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Termodinamica
La temperatura è una grandezza fisica scalare la cui definizione operativa si basa sull'uso del
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.
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.
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 S.I. 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.
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 ∆l è legata alla variazione di
temperatura ∆t dall’equazione: ∆l = λ l0 ∆t , dove ∆t 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 ∆t).
Un corpo (solido o liquido) di volume iniziale V0 se sottoposto a una variazione di temperatura
∆t , subirà una variazione di volume ∆V data da ∆V = k V0 ∆t, 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 ∆t).
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
T = t c + 273 ,15
T = t c + To
To = 273 ,15
t=T-T0 , dove T0 = 273,15 K è la temperatura del ghiaccio fondente (0 °C).
Alla temperatura t = - 273,15 °C corrisponde il valore 0 K, che viene chiamato zero assoluto.
Dilatazione termica dei gas e trasformazioni dei gas
Anche per un gas mantenuto a pressione costante , isobarica, vale la formula V = V0 (1+ α∆t).
(prima legge di Gay-Lussac) Per tutti i gas la costante a vale α = 1/ 273,15 °C
Lo stato si un gas è caratterizzato da determinanti valori di temperatura, volume e pressione,
che rappresentano variabili di stato termodinamico
Trasformazione isoterma è una trasformazione che avviene a temperatura costante .
La legge che regola la trasformazione isotermica di un gas è la legge di Boyle-Mariotte:
p • V= cost .
.
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Trasformazione isocòra o seconda legge di Gay-Lussac: Un gas perfetto che alla temperatura
di 0 °C ha una pressione p0 e che viene riscaldato mantenendo costante il volume si trova, alla
temperatura t, a una pressione p espressa dalla legge: p =p0(1+ α∆t), quando V = costante.
La costante α è la stessa che compare nella prima legge di Gay-Lussac.
Gas perfetto . È un gas ideale che soddisfa due condizioni: (1) è piuttosto rarefatto; (2) la sua
temperatura è molto maggiore di quella alla quale si liquefa
A temperatura ambiente e alla pressione atmosferica molti gas reali, tra cui l'aria, si possono
considerare come gas perfetti.
Energia Interna è la somma dei tutte le energie (cinetiche e potenziali) delle molecole che
formano la sostanza.
Energia Potenziale è il lavoro compiuto dalle forze intemolecolari quando tutte le molecole
sono portate talmente distanti tra loro che da annullare le forze di attrazione.
Calorimetria
Principio zero della termodinamica. Due corpi a temperatura diversa
raggiungono la stessa temperatura, detta di equilibrio.
messi a contatto
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.
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 ∆E (o Q) di energia, la sua
temperatura aumenta di una quantità ∆T, la sua capacità termica è data da:
C = ∆E / ∆T 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 ∆E di energia necessaria a fare aumentare di ∆T la temperatura di un corpo di massa
m e calore specifico c è: ∆E = c m ∆T. 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 quello del ferro 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.
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
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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 ∆T, vale
Q
∆T
la relazione
= k ⋅S ⋅
dove Q è la quantità di energia che attraversa la parete
∆t
d
nell’intervallo di tempo ∆t. 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. Q = h ∆T t dove h è il
coefficiente di convezione difficilmente determinabile in quanto è dovuto a diversi fattori
(convezione naturale o forzata).
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.
IL SUONO
- Le onde sonore
Il suono è una perturbazione che si propaga nello spazio senza spostamento del mezzo in cui si
propaga. Per esempio se stiamo in una stanza con la porta socchiusa, sentiamo solo ciò che
accade in una stanza vicina. La sorgente del suono è un corpo che vibra. Infatti,per esempio,se
colpiamo una pentola con un cucchiaio,sentiamo un suono e contemporaneamente vediamo che
la pentola vibra,e se la tocchiamo essa smette di vibrare e il suono finisce.
Il suono è un’onda longitudinale,generata da compressioni e rarefazioni del mezzo in cui si
propaga. Quindi il suono è generato da una variazione della pressione dell’aria o della sua
densità,che arriva fino alle nostre orecchie.
Il suono si può propagare in un mezzo materiale,ma non nel vuoto. Per esempio,se mettiamo un
campanello elettrico in una campana di vetro collegata ad una pompa che fa il vuoto,notiamo
che quando c’è aria nella campana sentiamo il suono del campanello, mentre quando facciamo
il vuoto non sentiamo più niente.
Come tutte le onde anche il suono ha una sua velocità,che dipende dal materiale in cui esso si
propaga e da altre caratteristiche (temperatura,pressione,ecc..).In aria secca,il suono ha una
velocità: V=332m/s.
-I limiti di udibilità
Non tutte le onde sonore sono percepite dal nostro sistema orecchio-cervello. Per essere
udibile,un’onda sonora deve avere una frequenza compresa tra 20Hz e 20000Hz. A frequenze
inferiori,corrispondono gli infrasuoni e a quelle superiori corrispondono gli ultrasuoni,che noi
non sentiamo ma possono sentire solo alcuni animali.
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-L’eco
Può capitare di sentire la nostra voce che sembra venire da lontano. Questo fenomeno si chiama
eco. L’eco è dovuto alla riflessione delle onde sonore,cioè al fatto che il suono si comporta
come se rimbalzasse contro un ostacolo. L’onda sonora percorre due volte la distanza d tra noi
e la parete,e impiega un tempo t=2d/v (v è la velocità del suono).
-L’effetto Doppler
Secondo l’effetto Doppler la frequenza di un’onda rilevata da un ricevitore in movimento
rispetto alla sorgente dell’onda,è diversa da quella rilevata da un ricevitore fermo rispetto alla
sorgente. Per esempio,quando l’ambulanza si muove verso di noi,sentiamo che la sirena emette
un suono più acuto rispetto a quello che sentiamo quando l’ambulanza è ferma,e quando si
allontana il suono è più grave.
