Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
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TERMODINAMICA
Temperatura:
- è una grandezza macroscopica correlata al nostro senso di
caldo e di freddo;
- due persone diverse possono definire “caldo” o “freddo” lo
stesso oggetto.
- è quella grandezza che viene misurata con un termometro.
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Un po’ di storia …
• Galileo nel 1610 descrive un “termoscopio” per misurare la
temperatura,
però
mancava
un
valore
standard
di
riferimento.
• Nel 1641 viene costruito, per Ferdinando II Granduca di
Toscana, il primo termometro ad alcool in vetro. Vi erano
segnate 50 tacche arbitrarie.
• Nel 1702, Roemer suggerisce l’uso di due valori fissi
standard su cui basare una scala di temperature.
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Gabriel Daniel Fahrenheit nel 1724 inventa il termometro a mercurio, che
possiede una grande e regolare espansione termica.
I due punti fissi sono:
– 0: la temperatura di una miscela di cloruro d’ammonio e ghiaccio;
– 100: la temperatura di un corpo umano in salute.
In seguito Fahrenheit modificò la scala in modo tale che la temperatura di
fusione del ghiaccio fosse 32 °F e il punto di bollizione dell’acqua 212 °F.
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Nel 1745 Anders Celsius propone una scala divisa in 100 gradi basata
sulla temperatura di fusione del ghiaccio (0 °C) e di ebollizione dell’acqua
(100 °C).
Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dell’acqua, fissato a
0.01 °C.
La scala Kelvin pone a 273.16 K il punto triplo.
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Scala Kelvin:
Il kelvin è definito come 1 / 273.16 della temperatura termodinamica
del punto triplo dell'acqua.
In SI si utilizza la scala Kelvin:
TK = T°C + 273.15;
T°C = TK - 273.15
0 °C
273.15 K
100 °C
373.15 K
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T(K) = T(C)
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Scala Fahrenheit:
TF = 1.8 T°C + 32°
T°C = (TF - 32°) / 1.8
Dalla sensazione di caldo o di freddo si passa al
concetto di stato termico.
interazione termica
freddo caldo
equilibrio termico
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I due corpi sono in equilibrio termico quando hanno raggiunto la
stessa temperatura.
Es. Termometro – corpo umano.
Principio zero della termodinamica
A
C
iso
lan
te
B
A
C
iso
lan
te
B
A
C
Due corpi in equilibrio termico con un terzo, sono in
equilibrio termico tra di loro.
B
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Temperatura e calore:
TS e Ta si modificano fino a diventare uguali – tale
cambiamento è dovuto al trasferimento di energia
tra il sistema e l’ambiene.
Ambiente (Ta)
Sistema (TS)
T S > Ta
Q
Q<0
Energia termica (interna) è l’insieme delle
energie cinetiche e potenziali associate ai moti
casuali dei atomi e molecule.
Ambiente (Ta)
Sistema (TS)
E=Nf½kT
Q=0
T S = Ta
N particelle aventi f gradi di libertà quadratici.
Ambiente (Ta)
f = 3 per un gas monoatomico (He, Ar)
Sistema (TS)
TS < T a
Q
f = 5 per un gas biatomico (N2, O2)
Q>0
k = 1.38 ×10−23 J/K
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Temperatura e calore:
Ambiente (Ta)
Quando viene trasferita, l’energia termica
Sistema (TS)
T S > Ta
Q
viene chiamata calore (Q).
Q<0
Ambiente (Ta)
Q > 0 - energia termica trasferita dal
Sistema (TS)
ambiente al sistema
Q=0
T S = Ta
Q < 0 - energia termica trasferita dal
sistema al ambiente
Ambiente (Ta)
Sistema (TS)
[Q] = J
TS < T a
Q
Q>0
1 cal = 4.186 J
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Capacità termica:
Q = C ΔT = C (Tf – Ti)
[C]SI = J / K
Indica quanto calore deve essere fornito per aumentare di 1 K la
temperatura di un corpo.
Calore specifico:
Due oggetti dello stesso materiale hanno le capacità termiche
proporzionali alla loro massa => utile definire una capacità
termica per unita di massa = calore specifico.
Q = m c ΔT = m c (Tf – Ti)
[c]SI = J / (kg K)
Ci dice quanti J sono necessari per rialzare di 1K la temperatura di
1kg di una sostanza.
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Sostanza
Calore specifico
Piombo
128
Ghiaccio
2200
Acqua
4190
J / (kg K)
Calore latente:
È la quantità di calore per massa unitaria che si deve trasferire
affinché un campione subisca un cambiamento di fase completo.
Q=Lm
[L]SI = J / kg
Cambiamento fase: liquida => aeriforme (vapore)- campione deve assorbire calore
calore latente di evaporazione; acqua: LV = 2260 kJ / kg
Cambiamento fase: solida => liquida - il campione deve assorbire calore
calore latente di fusione; acqua: LF = 333 kJ / kg
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Diagramma di fase:
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Cambiamenti di stato
dell’acqua:
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Esercizi:
1. Quanto calore occorre per far passare una quantità m = 300 g di
ghiaccio con temperatura iniziale -10 °C allo stato liquido alla
temperatura di 20 °C ? ( Lf = 333 kJ / kg, cgh = 2090 J/kgK, cH20 = 4180
J/kgK)
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Esercizi:
2. In un contenitore si trova una massa 1.5 kg di ghiaccio a 0 ˚C.
Determinare quanta acqua a temperatura iniziale 20 °C deve essere
aggiunta sapendo che, all’equilibrio termico, la massa del ghiaccio
rimasto rappresenta 1/3 della massa iniziale di ghiaccio. (Lf = 333
kJ/kg, cH20 = 4180 J/kgK)
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Esercizi:
3. Sia data una pentola (di capacità termica trascurabile) con 5 litri di
acqua posta su un fornello che fornisce 250 calorie/sec. Se la
pentola assorbe il 75% del calore prodotto dal fornello, calcolare di
quanto è variata la temperatura dell'acqua dopo 5 min.
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Spazio tra i binari dei treni
- per far si che la dilatazione indotta dalle temperature estive
possa avvenire lungo l'asse del binario stesso
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Dilatazione termica di solidi e liquidi:
temperatura aumenta – corpi si dilatano;
es.: binario dei treni –
spazio tra di loro
Dilatazione lineare: sbarra
L L0 T
più e lunga, più si dilata
coefficiente di
dilatazione lineare
es: αFe = 12·10-6 K-1
L L L0 L0 T L L0 (1 T )
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Dilatazione superficiale:
S L2 ( L0 (1 T )) 2 L0 (1 T ) 2
2
L0 (1 2 T 2 T 2 ) L0 (1 2 T )
2
2
S S 0 2 T
Dilatazione volumica:
V L3 ( L0 (1 T )) 3 L0 (1 T ) 3
3
L0 (1 3 T 3 2 T 2 3 T 3 ) L0 (1 3 T )
3
V V0 3 T V0 T
3
β – coefficiente di
dilatazione volumica
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Esercizio:
Un cilindro di ferro è riempito fino all’orlo con acqua a 25 gradi
Celsius. Se l’acqua e il cilindro sono riscaldati fino alla temperatura
di 75 gradi Celsius, quale percentuale di acqua fuoriesce dal
cilindro?
Si conoscono: βacqua = 207·10-6 K-1 e βFe = 36·10-6 K-1
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La propagazione del calore:
conduzione
3 meccanismi:
convezione
irraggiamento
La conduzione termica: - corpi a contatto (solidi, liquidi)
acqua calda
Centrale
nucleare
acqua fredda
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Legge di Fourier:
Q
T
kS
t
d
calore scambiato
per unità di tempo
conducibilità
termica
S – superficie
d – spessore
∆T – variazione di
temperatura
(potenza scambiata)
k grande - buon conduttore di calore
Es: Conducibilità
termiche a 20°C:
Materiale
legno
acciaio
rame
k piccolo - isolanti
k (W m-1 K-1)
0.13
46
401
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La convezione termica: - fluidi
Aumentando di temperatura, il
fluido a contatto con il fonte di
calore si espande e diminuisce
di densità, generando moti
convettivi in cui il fluido caldo
sale verso l'alto e quello freddo
scende verso il basso.
Brezza di mare:
- durante il giorno dal mare
verso la costa
- durante la notte dalla costa
verso il mare
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L’irraggiamento:
- al contrario della conduzione e della convezione, non prevede contatto
diretto tra gli scambiatori, e non necessita di un mezzo per propagarsi;
- la trasmissione di energia avviene attraverso l'emissione e l'assorbimento
di radiazione elettromagnetica.
L’effetto serra è un effetto naturale che rende possibile la vita sul
nostro pianeta: senza la presenza dell’atmosfera la radiazione solare
incidente sulla Terra verrebbe quasi interamente rimandata verso
l’esterno e la temperatura superficiale sarebbe 35 °C in meno
rispetto a quella che realmente abbiamo.
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Certi gas chiamati gas serra - il biossido di carbonio o anidride carbonica
(CO2), il metano (CH4), il protossido di azoto (N2O) – sono trasparenti alla
radiazione solare, che quindi li attraversa senza essere assorbita, ma non a
quella emessa dalla Terra – risulta “l’effetto serra”.
Un aumento della concentrazione dei gas serra
provoca
un
aumento
della
radiazione
restituita
dall’atmosfera alla superficie terrestre. Risulta un
aumento della temperatura media del pianeta.
Dal 1750 ad oggi:
- L’anidride carbonica (CO2) è aumentata del 31% e
continua a salire dello 0.4% per anno
- Il metano (CH4) è cresciuto del 151%
- Il protossido di azoto (N2O) è cresciuto del 17%
