EQUILIBRIO TERMICO

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EQUILIBRIO TERMICO
Due corpi a temperature t1 e t2
(t2 > t1) sono posti in contatto
termico, isolati dall’ambiente
circostante
t1
t2
Dopo un certo tempo, i due
corpi raggiungeranno una
temperatura intermedia di
equilibrio tf
tf
tf
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TERMOMETRO CLINICO
Basato sull’equilibrio termico
Termometro ‘a massima’
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TERMOMETRO CLINICO
Basato sull’equilibrio termico
Termometro ‘a massima’
La strozzatura tra il bulbo e il tubo capillare permette, sfruttando
la tensione superficiale, di conservare la lettura della temperatura
massima dopo la rimozione del termometro
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TEMPERATURA:
INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA
Anche in presenza di un moto collettivo, gli atomi e le molecole di
un corpo sono in uno stato di moto caotico e disordinato. La
temperatura di un corpo e’ legata al livello medio di tale
agitazione termica della materia
Particella di un corpo solido, liquido o gassoso:
•  Energia cinetica Ucin  “agitazione termica”
•  Energia potenziale Upot  legami chimici
•  Energia interna Ucin + Upot
Dalla combinazione di Ucin e Upot risultano i vari stati di
aggregazione della materia
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STATI DI AGGREGAZIONE
SOLIDO: Upot >> Ucin
 particella ordinate in struttura regolare
LIQUIDO: Upot ~ Ucin
 le particelle fluiscono
GAS: Upot << Ucin
 le particelle si muovono in tutte le direzioni
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CAMBIAMENTI DI STATO
SOLIDO: Upot >> Ucin
 particella ordinate in struttura regolare
Innalzando il livello termico aumenta Ucin  liquido
(e viceversa)
LIQUIDO: Upot ~ Ucin
 le particelle fluiscono
Innalzando il livello termico aumenta Ucin  gas
(e viceversa)
GAS: Upot << Ucin
 le particella si muovono in tutte le direzioni
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CAMBIAMENTI DI STATO
I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante
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CALORE
Nelle transizioni termiche viene scambiato calore
Quando due corpi a temperature diverse sono messi
a contatto viene trasferita energia termica dal corpo
piu’ caldo al corpo piu’ freddo  il corpo piu’ freddo
guadagna Ucin e quindi sale in temperatura
Il calore puo’ essere ceduto o assorbito
>> Unita’ di misura nel S.I. : [J]
1 cal = 4.186 J
1kcal = 4186 J
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CAMBIAMENTI DI STATO
I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante
benche’ venga scambiato (ceduto o assorbito) calore che si
dice ‘calore latente’
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TRASMISSIONE DEL CALORE
convezione
PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA
conduzione
PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA
irraggiamento
EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE
(RADIAZIONE TERMICA)
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CONVEZIONE
Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il
trasporto di calore è associato al trasporto di materia
Esempi:
•  Radiatore in una stanza;
•  Acqua in una pentola;
fornello
•  Nei sistemi biologici: sangue e linfa.
In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo
è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza
di temperatura ΔT tra radiatore e stanza:
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CONDUZIONE
Meccanismo di propagazione del calore nei solidi
S
T1
K = conducibilità termica del materiale
Q
T2
d
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IRRAGGIAMENTO
Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche
da parte di un corpo a temperatura assolutaT.
Avviene anche nel vuoto !
Esempi:
•  Energia solare;
•  Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse;
•  Corpi arroventati emettono luce.
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METABOLISMO
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METABOLISMO
Insieme delle reazioni biochimiche all’ interno
dell’organismo necessarie per il sostentamento delle
funzioni vitali e per l’attuazione di lavoro meccanico
verso l’esterno
Alimenti
Ossidazione
ALIMENTAZIONE
L’uomo e’
omeotermo
TERMOREGOLAZIONE
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ALIMENTAZIONE
L’ossidazione delle sostanze organiche (carboidrati,
proteine e grassi) libera energia
Es.
C6H12O6 + 6O2  6 CO2 + 6 H2O + 666 kcal
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ALIMENTAZIONE
L’ossidazione delle sostanze organiche (carboidrati,
proteine e grassi) libera energia
Es.
C6H12O6 + 6O2  6 CO2 + 6 H2O + 666 kcal
Energia accumulata nei legami chimici della molecola di
ATP (adenosintrifosfato) e successivamente utilizzata
per il sostentamento dell’organismo e per l’attivita’
motoria
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METABOLISMO BASALE
Minimo consumo energetico richiesto dai processi vitali:
•  funzione cardiaca, respiratoria, ghiandolare e
nervosa
•  tono muscolare
•  mantenimento temperatura corporea
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METABOLISMO ADDIZIONALE
• 
• 
• 
• 
Lavoro muscolare
Lavoro mentale
Digestione
…
TOTALE = BASALE + ADDIZIONALE ~ 2500 kcal/die
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POTENZA METABOLICA
MR “ Metabolic rate” kcal/tempo
BMR “Basal metabolic rate”
Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con
uno spirometro attraverso la misura della quantita’ di ossigeno
consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono
scomposti
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LAVORO E POTENZA MUSCOLARE
Solo parte dell’energia impegnata viene trasformata
in lavoro utile
Rendimento η = lavoro utile/energia impegnata
= potenza meccanica/potenza
muscolare
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POTENZA METABOLICA
MR “ Metabolic rate” kcal/tempo
BMR “Basal metabolic rate”
Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con
uno spirometro attraverso la misura della quantita’ di ossigeno
consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono
scomposti
MR = BMR + potenza muscolare = BMR + potenza meccanica/η
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Esercizio
Una persona a dieta svolge un’attivita’ fisica normale
consumando 2500 kcal/die mentre il suo regime alimentare
e’ di sole 1500 kcal. Se la differenza e’ compensata dai soli
grassi di riserva (1 g di grasso fornisce 9.3 kcal), di quanti kg
calera’ in un mese?
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POTERE CALORICO
Proteine/zuccheri: 4.1 kcal/g
Grassi: 9.3 kcal/g
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TERMOREGOLAZIONE
•  Perdita di calore dall’epidermide
•  Perdita di calore con vapore acqueo e aria espirata
•  Evaporazione del sudore
Bassa temperatura ambiente (T<< 37 oC):
vasocostrizione, pelle d’oca, brividi
Alta temperatura ambiente (T ≥ 37 oC) o sforzo fisico:
vasodilatazione, sudore
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TRASMISSIONE CALORE
NEL CORPO UMANO
• conduzione
trasmissione interna ed esterna
contatto tra organi interni
contatto superficie cutanea con aria e vestiti
• irraggiamento trasmissione esterna
emissione termica
• convezione
trasmissione interna
diffusione con distribuzione omogenea
del calore interno tramite sangue
• convezione
trasmissione esterna
sudorazione e respirazione
H2O (t = 37°C) ≈ 580 cal g –1
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Esercizio
Il calore latente di evaporazione dell’acqua a 37o C vale 580
cal/g. Si determini quanto calore viene smaltito attraverso
10 g di sudore
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MECCANICA DEI FLUIDI
  Fluidostatica: fluidi in quiete
  Fluidodinamica: fluidi in moto
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FORMA
VOLUME
SOLIDO
propria
proprio
LIQUIDO
contenitore
proprio
GASSOSO
contenitore
contenitore
FLUIDI
FLUIDI
masse  densita’
forze  pressioni
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PRESSIONE
Pressione = forza/superficie
p = F/A
>> Unita’ di misura nel S.I.: [N/m2] = [Pa] Pascal
1 Pa = 1 kg / 1 m/ 1 s2
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PRINCIPIO DI PASCAL
La pressione esercitata sun un punto della
superficie limite di un fluido si trasmette
inalterata in tutte le direzioni
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PRESSIONE IDROSTATICA
Pressione esercitata in un punto in profondita’
dalla colonna di fluido che lo sovrasta
(pidr)P = Fp/A con
FP
A
peso colonna sovrastante A
superficie che contiene P
(pidr)P = m g /A = d V g /A =
h
P
= d A h g/A = d g h
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Esercizio
Si verifichi che le unita’ di misura di d g h sono quelle di una
pressione
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PRESSIONE IN UN FLUIDO IN QUIETE
p0
P
Quali e quante pressioni in P?
1)  pressione esterna
(tipicamente pressione atmosferica)
2) pressione idrostatica
Pressione totale = p0 + dgh LEGGE di STEVINO
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PRINCIPIO DEI VASI COMUNICANTI
In base alla legge di Stevino tutti i punti alla stessa profondita’
hanno lo stesso valore di pressione  in
un sistema di vasi
comunicanti di qualsiasi forma la superficie limite si porta sempre
alla stessa altezza rispetto ad un piano di riferimento poiche’ la
pressione esterna, tipicamente la pressione atmosferica, e’ la
stessa in ogni punto della superficie
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PRESSIONE ATMOSFERICA
Peso della colonna di aria che ci sovrasta di
altezza quindi pari all’altezza dell’atmosfera
patm = d g h con
d densita’ aria
h altezza atmosfera
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