Termologia Prof. Roberto Capone Corso di Fisica e Geologia –mod. Fisica 2013/2014 Corso di laurea in Ingegneria edile

Termologia Prof. Roberto Capone Corso di Fisica e Geologia mod. Fisica 2013/2014 Corso di laurea in Ingegneria edile

IntroduzioneIntroduzione Lidea che la materia fosse formata da atomi risale allantica Grecia. Secondo il filosofo greco Democrito, se una sostanza pura veniva tagliato in pezzi sempre pi piccoli, alla fine si otteneva un pezzo piccolissimo di quella sostanza che non poteva essere ulteriormente suddiviso. Il pezzo pi piccolo venne chiamato atomo che in greco significa indivisibile. La teoria atomica oggi generalmente accettata dagli scienziati.. La maggior parte delle prove sperimentali in suo favore sono state ottenute dallo studio dellanalisi di reazioni chimiche nei secoli successivi.

In particolare, un contributo significativo hanno dato la scoperta della legge delle proporzioni definite e della legge delle proporzioni multiple (seconda met del 1700). Unaltra importante evidenza sperimentale della teoria atomica costituita dal moto browniano risalente alle osservazioni del botanico Brown ed esaminata e spiegata da Einstein nel 1905.

Sistemi termodinamici Sistema fisico sufficientemente grande da essere osservabile direttamente dai nostri sensi detto sistema macroscopico Un sistema macroscopico viene descritto ricorrendo a parametri macroscopici dinsieme detti parametri di stato o variabili termodinamiche Un sistema macroscopico quando viene descritto attraverso i parametri di stato detto un sistema termodinamico

Sistemi termodinamici chiusi e isolati Sistema chiuso Non scambia materia con lambiente Sistema isolato Non scambia n materia n energia con lambiente

La Temperatura Nella vita di tutti i giorni, la temperatura considerata come la misura di quanto un oggetto sia freddo o caldo. Molte propriet della materia cambiano con la temperatura. Ad esempio, la maggior parte dei materiali si espandono se riscaldati. Una barra di ferro pi lunga quando calda che quando fredda; le strade e i marciapiedi di cemento si espandono e si contraggono leggermente al variare della temperatura; la resistenza elettrica della materia cambia con la temperatura; a temperature pi alte, solidi come il ferro brillano di un colore arancione o addirittura bianco. La temperatura una misura dellagitazione termica di una sostanza ovvero una misura indiretta dellenergia cinetica media delle molecole che costituiscono la sostanza.

I termometri Gli strumenti che misurano la temperatura sono chiamati termometri. I termometri pi comuni si basano sullespansione di un materiale in seguito a un aumento della temperatura. La prima idea di termometro, che fu di Galileo, faceva uso dellespansione di un gas. I termometri odierni consistono di un tubo di vetro cavo riempito di mercurio o di alcool colorato con un colorante rosso. Nei comuni termometri a liquido in contenitori di vetro, il liquido si espande pi del vetro quando la temperatura aumenta, perci il livello del liquido nel tubo cresce. Termometri molto precisi fanno uso delle propriet elettriche della materia come i termometri a resistenza, le termocoppie e i termistori.

Unit di misura della temperatura Per misurare la temperatura in modo quantitativo bisogna definire una scala termometrica appropriata. La scala pi comune la scala Celsius, detta anche scala centigrada. Negli Stati Uniti comune la scala Fahrenheit. In ambito scientifico, la pi importante la scala assoluta o Kelvin. Un modo di definire la scala di temperatura quello di assegnare valori arbitrari a due temperature facilmente riproducibili. Sia per la scala Celsius sia per quella Fahrenheit questi due punti fissi sono il punto di solidificazione e quello di ebollizione dellacqua entrambi presi a pressione atmosferica. Sulla scala Celsius, il punto di solidificazione dellacqua scelto come 0C e il punto di ebollizione come 100C. Nella scala F., il punto di solidificazione definito come 32F e il punto di ebollizione 212F

La misura della temperatura Le sostanze sono composte da atomi. Quando due o piu atomi si legano assieme formano molecole. La molecola dacqua formata da due atomi di idrogeno (simbolo H) e da un atomo di ossigeno (simbolo O). Tra le molecole di una sostanza agiscono le forze di coesione molecolare. Queste forze hanno intensit diversa a seconda dello stato di aggregazione in cui si trova la sostanza

La misura della temperatura Stato Solido Struttura microscopica ordinata Forze di coesione intense Particelle oscillano intorno a posizioni di equilibrio, senza spostarsi - Stato Liquido Struttura microscopica disordinata Forze di coesione deboli Le molecole si muovono, ma le distanze reciproche variano poco Stato Gassoso Forze di coesione trascurabili Le molecole occupano tutto lo spazio a disposizione Fortemente comprimibili

La dilatazione termica Dilatazione termica: aumento di volume dei corpi dovuto allaumento della temperatura. Se una dimensione prevale sulle altre due (come per un filo o unasta) si parla di dilatazione lineare Dilatazione lineare: laumento di lunghezza l (l = l l 0 ) dipende dalla sostanza di cui fatto il corpo ed direttamente proporzionale: -alla lunghezza iniziale l 0 del corpo; -alla variazione di temperatura T (T = T T 0 ) subita dal corpo.

La dilatazione termica Legge della dilatazione lineare Nel SI il coefficiente di dilatazione lineare si misura in K -1 La variazione di temperatura T = T T 0 ha lo stesso valore numerico espressa in K e in C, pertanto ha lo stesso valore in K -1 o in C -1

La dilatazione termica

Legge di dilatazione volumica (solidi e liquidi) Nel SI il coefficiente di dilatazione volumica k si misura in K -1 Per i solidi, k 3 (il coefficiente di dilatazione volumica circa il triplo di quello lineare). Per i liquidi, k molto maggiore rispetto al caso dei solidi

La dilatazione termica Comportamento anomalo dellacqua Nellintervallo tra 0 C e 4C il volume dellacqua non cresce con laumentare della temperatura, ma diminuisce (il coefficiente di dilatazione negativo). Al di sopra di 4 C lacqua si dilata normalmente

Fisica e realt Ci sono molti esempi concreti di dilatazione nella vita di tutti i giorni: la dilatazione di un ponte; Un foro che si espande; Aprire il coperchio stretto di un vaso; Serbatoio di benzina al sole

Sforzi termici

Per aumentare la temperatura di un corpo bisogna fornirgli una quantit di calore, che dipende dalla massa e dalle caratteristiche del corpo La legge fondamentale della termologia

Stati di equilibrio termodinamico Lo stato di un sistema termodinamico noto quando noto il valore che i parametri di stato hanno in ogni punto del sistema. Se il valore dei parametri di stato costante nel tempo, lo stato si dice stazionario Si dice che un sistema termodinamico chiuso in uno stato di equilibrio termodinamico quando si sia realizzato: Un equilibrio meccanico Un equilibrio termico Un equilibrio chimico

Equilibrio termodinamico Lequilibrio meccanico si stabilisce fra le forze che il sistema esercita sullambiente esterno e le forze esterne agenti sul sistema Lequilibrio termico si ha fra le varie parti del sistema considerato, nonch fra questo e lambiente esterno, ci vuol dire che tutte le parti del sistema hanno la stessa temperatura Lequilibrio chimico garantisce che non sono in corso reazioni che alterino la composizione relativa del sistema. Un sistema termodinamico, se lasciato isolato per un tempo sufficientemente lungo, raggiunge uno stato di equilibrio termodinamico

La legge fondamentale della termologia Per aumentare la temperatura di un corpo occorre trasferirgli energia. Il trasferimento di energia pu avvenire con uno scambio di calore (contatto con una fiamma o un corpo pi caldo, ) o con uno scambio di lavoro Esperimento di Joule Per fare crescere di 1 K la temperatura di 1 kg di acqua, occorre compiere un lavoro pari a circa 4180 J

La legge fondamentale della termologia La capacit termica C di un corpo il rapporto tra lenergia ricevuta e la variazione di temperatura: Nel SI la capacit termica si misura in J/K La capacit termica C proporzionale alla massa m. La costante di proporzionalit il calore specifico c: Il calore specifico c caratteristico di ogni sostanza; nel SI si misura in J/(kgK)

La legge fondamentale della termologia Legge fondamentale della termologia Lenergia scambiata dipende dalla sostanza (attraverso il calore specifico c) ed direttamente proporzionale: -alla massa della sostanza; -alla variazione di temperatura T.

La legge fondamentale della termologia Equilibrio termico: due corpi a temperatura T 1 e T 2 posti a contatto, scambiano energia e si portano a una temperatura di equilibrio T e La legge fondamentale della termologia diventa: Lenergia scambiata tra un corpo e laltro sotto forma di calore

La legge fondamentale della termologia Il corpo caldo cede calore e si raffredda: Il corpo freddo acquista calore e si riscalda: Poich T 1 < T e < T 2, Q ceduto negativo e Q acquistato positivo. Se non c dispersione di calore, tenendo conto dei segni si ha: La temperatura di equilibrio T e : Se c 1 = c 2 (stessa sostanza) T e :

La legge fondamentale della termologia Misura di calore specifico con il calorimetro delle mescolanze. Nel calorimetro: acqua (massa m 1, temperatura T 1 ) Si aggiunge un corpo di massa m 2 a temperatura T 2 : il sistema va in equilibrio a temperatura T e m e : equivalente in acqua del calorimetro, tiene conto del calore assorbito dal calorimetro Misurando T e si pu determinare il calore specifico sconosciuto c 2

Durante un cambiamento di stato la temperatura di una sostanza rimane costante; il cambiamento di stato avviene per sottrazione o cessione di calore Il calore latente

Cambiamento di stato: passaggio di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro Durante un cambiamento di stato la temperatura resta costante

Il calore latente Fusione: passaggio dallo stato solido allo stato liquido La fusione avviene per assorbimento di calore Il solido assorbe calore: la sua temperatura sale fino alla temperatura di fusione T f - inizia il cambiamento di stato Fusione: il solido continua ad assorbire calore, ma la temperatura resta costante al valore T f A fusione completata, se il corpo continua ad assorbire calore, la sua temperatura cresce

Il calore latente Se una massa m di sostanza solida si trova alla temperatura di fusione T f, la quantit di calore Q necessaria per farla fondere direttamente proporzionale a m La costante di proporzionalit f, caratteristica di ogni sostanza, il calore latente di fusione, nel SI si misura in J/kg

Il calore latente Il cambiamento di stato inverso della fusione la solidificazione: avviene alla stessa temperatura della fusione, con cessione di calore da parte del liquido Il calore latente di solidificazione il calore ceduto dalla massa unitaria di liquido durante la solidificazione, ed uguale al calore latente di fusione.

Il calore latente Evaporazione: passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso Levaporazione avviene per assorbimento di calore Molti liquidi evaporano anche (in superficie) a temperatura ambiente Nellebollizione il cambiamento di stato interessa tutto il volume di liquido e avviene a temperatura costante (temperatura di ebollizione) La temperatura di ebollizione dipende dalla pressione

Il calore latente Se una massa m di sostanza solida si trova alla temperatura di evaporazione T e, la quantit di calore Q necessaria per farla evaporare direttamente proporzionale a m: v, il calore latente di evaporazione, nel SI si misura in J/kg La condensazione il cambiamento di stato inverso della evaporazione, e avviene alla stessa temperatura, con cessione di calore da parte del liquido (il calore latente di condensazione uguale a quello di evaporazione)

Il calore si propaga da punti a temperatura pi alta a punti a temperatura pi bassa La propagazione del calore

Allinterno di un solido il calore si propaga per conduzione La conduzione del calore dovuta alla trasmissione di vibrazioni tra atomi vicini allinterno del solido. Si ha trasmissione di energia allinterno del solido, ma non si ha trasporto di materia

La propagazione del calore Allinterno di un fluido (liquido o gas) il calore si propaga soprattutto per convezione. Il fluido, scaldandosi, varia la sua densit: il fluido pi caldo tende a salire, e quello pi freddo scende a prendere il suo posto Si innescano delle correnti convettive che coinvolgono tutto il fluido: si ha trasmissione di energia nel fluido, e si ha anche trasporto di materia

La propagazione del calore Legge di Fourier della conduzione La quantit di calore che si propaga per conduzione in un tempo t attraverso una parete di area A e spessore d, ai due lati della quale mantenuta una differenza di temperatura T, : k: coefficiente di conducibilit termica, caratteristico del materiale. Nel SI il coefficiente di conducibilit termica si misura in W/(mK)

La propagazione del calore Le sostanze con un coefficiente di conducibilit termica elevato, per esempio i metalli, sono buoni conduttori di calore. Gli isolanti termici, per esempio i gas, o i materiali che inglobano aria nella loro struttura, hanno una bassa conducibilit termica

La propagazione del calore Nella trasmissione per irraggiamento, il calore viene scambiato come radiazione elettromagnetica, che si propaga anche nel vuoto. Tutti i corpi emettono radiazione elettromagnetica (visibile per i corpi pi caldi, infrarossa per quelli pi freddi). La potenza irraggiata da un corpo di superficie A alla temperatura T (misurata in kelvin) espressa dalla legge di Stefan-Boltzmann: La costante c dipende dal materiale che costituisce la superficie. Quando la radiazione elettromagnetica incide su un corpo, viene in parte riflessa e in parte assorbita, riscaldando il corpo stesso

Il calorimetro Lo strumento usato per misurare il calore si chiama calorimetro. Esistono diversi tipi di calorimetri che, pur se basati su fenomeni diversi, sono tuttavia fra di loro sostanzialmente equivalenti. Se un recipiente contiene una miscela di acqua e ghiaccio fra di loro in equilibrio e se il recipiente viene posto per un certo tempo a contatto con un sistema pi caldo si riscontra che una parte del ghiaccio fonde, senza tuttavia che cambi la temperatura della miscela. Il calore che il recipiente (calorimetro) ha ricevuto misurato dalla quantit di ghiaccio che si fuso. Fra i vari modelli di calorimetro a ghiaccio, alcuni sono molto sofisticati come il calorimetro di Bunsen e consentono una misura assai precisa della quantit di ghiaccio disciolta.

Unit di misura Come unit di misura del calore, per lungo tempo la pi usata stata la caloria, definita come la quantit di calore che va sottratta a un grammo di acqua per far passare la sua temperatura da 15,5C a 14,5C. La taratura del calorimetro a ghiaccio pu essere effettuata tenendo conto che per sciogliere un grammo di ghiaccio a 0C sono necessarie circa 79,7 calorie. Si pu dire che il calore lenergia che si scambia tra corpo e ambiente solo in virt della differenza di temperatura tra corpo e ambiente. Oggi si va sempre pi diffondendo adeguamento alla convenzione internazionale che suggerisce di misurare il calore nelle stesse unit di misura dellenergia meccanica, cio in joule. 1 kJ 1 kWh1 kcal1 BTU1 kg p m 1 kJ12,77810 -4 0,23880,94781,02010 2 1 kWh36001859,834123,67110 5 1 kcal4,1871,16310 -3 13,9684,26910 2 1 BTU1,0552,94110 -4 0,251911,07610 2 1 kg p m9,80710 -3 2,72110 -6 2,34210 -3 9,29510 -3 1

Trasformazioni termodinamiche Chiameremo cos quelle trasformazioni che portano il sistema da uno stato iniziale di equilibrio a uno stato finale anchesso di equilibrio Trasformazioni fra stati di equilibrio Una trasformazione si dice ciclica se lo stato iniziale e quello finale sono fra di loro identici Trasformazioni cicliche Trasformazioni quasi statiche Se possibile eseguire una trasformazione che riporti il sistema allo stato iniziale, seguendo a ritroso la stessa sequenza di stati intermedi Trasformazioni reversibili

Trasformazioni termodinamiche O non sono sequenze di infiniti stati di equilibrio O subentrano effetti dissipativi Oppure accadono entrambe le cose Trasformazioni irreversibili A partire da uno stato di equilibrio, un sistema termodinamico pu allontanarsi da esso per portarsi in un altro stato (di equilibrio o no), solo se il sistema stesso no isolato. Da uno stato lontano dallequilibrio, il sistema, lasciato isolato, compie spontaneamente una trasformazione portandosi in uno stato di equilibrio Trasformazioni spontanee Pu accadere che un sistema termodinamico ce si trasforma rimanga sempre lontano dallequilibrio. Ci accade di norma quando il sistema non isolato n chiuso Trasformazioni lontane dallequilibrio

Calore e temperatura Termometro Agitazione termica Temperatura Dilatazione termica Cambiamenti di stato Legge fondamentale della termologia Calore Irraggiamento Propagazione del calore Calore latente Convezione Conduzione Coefficiente di conducibilit termica

Documents

Termologia Prof. Roberto Capone Corso di Fisica e Geologia –mod. Fisica 2013/2014 Corso di laurea in Ingegneria edile