Temperatura e CaloreLa materia è un sistema fisico a “molti corpi”
• Gran numero di molecole (NA=6,02·1023) interagenti tra loro
• Descrizione mediante grandezze “macroscopiche” (valori medi su un gran numero di particelle):
• Pressione
• Volume
• Temperatura
• Il legame con le grandezze “microscopiche” è di tipo statistico.
Temperatura
• Rappresenta la 5a grandezza fondamentale (t,T);
• E` in correlazione con altre grandezze fisiche: • volume di un corpo;• pressione di un gas;• viscosità di un fluido;• resistività elettrica;• .....
T è la misura dello “stato termico” di un sistema fisico
• Principio dell’equilibrio termico: “due corpi posti a contatto raggiungono, dopo un certo tempo, la medesima temperatura”.
• Viene misurata con il termometro:
0°
50°
100°
°C
Dilatazione termica: V(t) = Vo (1 + t)
=coefficiente di dilatazione termica
In un tubo: h(t) = ho (1 + t)
Proprietà termometrich
e
Termometro clinico
37°
38°
41°
36°
39°
40°
42°
°C• Liquido termometrico: mercurio
• La strozzatura presente nella canna serve per conservare tmax dopo che il termometro è rimosso dal paziente
Scale termometriche
–200°
–100°
100°
200°
°C
t
0°
0°
100°
200°
300°
400°
K
T
373°
273°
–273°
scale centigrade
–459.4°
–328°
–148°
32°
212°
°F Scala normale o Celsius oC
Scala Farenheit oF
Scala assoluta o Kelvin K
Unità di misura del S.I.
0° 100° H2O
C)(t5
932F)(t ooo
273,15C)(tK)( o T
C)(tK)( oT
te
tf
Nota: si definisce energia interna U di un sistema la quantità:
U è quindi funzione della temperatura.
Nella materia (N = numero di molecole Na=6,02·1023):
• Moto di “agitazione termica” di atomi e molecole:
moto disordinato (gas) vibrazioni intorno alle posizioni di equilibrio (solidi)
energia cinetica Ek
• Energia potenziale e di legame:
energia potenziale EpLa temperatura di un corpo è correlata al livello medio di agitazione termica nella
materia
)(U pparticelle k EE
Interpretazione microscopica
Calore
Due corpi messi a contatto si portano
alla stessa temperatura
Trasferimento di energia interna dal corpo più caldo a quello più freddo.
Si dice che tra i due sistemi vi è stato scambio di calore
Il calore (Q)
• è l’energia interna dei sistemi trasferita nei processi termici;
• può essere ceduto o assorbito da un corpo.
• Unità di misura (S.I.): Joule (J)
• Unità pratica di misura: caloria (cal)
è la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1g di H2O da 14,5 oC a 15,5 oC.
L’equivalente meccanico della caloria è : 1 cal = 4,186 J
Nota: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal
Calore Specifico e Capacità Termica
La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massa m affinchè la sua temperatura passi da T1 a T2
èTmcTTmcQ )( 12
c = “calore specifico”
• quantità caratteristica di ogni materiale (vedi tabella...)
• Unità di misura (S.I.): J/kg·K (molto utilizzata cal/g·oC )
C=c·m = “capacità termica”
• dipende dalla massa dell’oggetto
• Unità di misura (S.I.): J/K (molto utilizzato cal/oC o kcal/oC
Ricorda: T (Kelvin) = t (Celsius)
Esempio:
1 cal/g·oC = 1 kcal/kg·oC = 1 cal/g·K = 4,186·103 J/kg·K
Cal
material
e
c (cal/g·oC
)
material
e
c (cal/g·oC
)acqua 1,0 glicerina 0,58
alluminio 0,22 ferro 0,83
alcool 0,55 rame 0,09
ghiaccio 0,5 mercurio 0,03
corpo umano
0,83 aria 0,23
Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente
Esempio:Quante calorie occorrono per innalzare di t=10oC un volume pari a 3 litri di acqua ?
Esprimere il risultato nelle unità del S.I.:
30kcal. QR
J10125,58. 3QR
t1 t2
Q1 Q2
Due corpi a temperature t1 e t2 (t2 > t1) sono posti in contatto termico, isolati dall’ambiente
circostante
21 QQ )()( 222111 ff ttmcttmc
Equilibrio Termico
tf tf
Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di
equilibrio tf
Applicando la conservazione
dell’energia si ottiene la temperatura di equilibrio
tf
2211
222111
mcmc
tmctmct f
Trasformazioni di fase
Corrispondono a transizioni tra i tre diversi stati di aggregazione della materia
• Avvengono a temperatura costante, caratteristica della sostanza in esame;
• Sono accompagnate da
- assorbimento di calore (endotermiche) - liberazione di calore (esotermiche)
liquido gascondensazione
evaporazione
solido liquidofusione
solidificazione
Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche !
Calore latente
Fusione Q = kf m T = costantekf = calore latente di fusione
es. kf (H2O) = 80 cal/g
Evaporazione
Q = ke m T = costantekf = calore latente di evaporazione
es. ke (H2O) = 606,5-0.695·t cal/g
Alla temperatura corporea t=37 oC:
ke (H2O) = 580 cal/g
Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il calore Q necessario alla fusione (evaporazione) di una
massa m è:
Esempio:Quante calorie occorrono per fondere m=10g di ghiaccio ?
0,8kcal800cal. QR
Trasmissione del calore
meccanismi di trasmissione del calore
convezionePROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA
conduzionePROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA
irraggiamentoEMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE
evaporazione (sistemi biologici)
(RADIAZIONE TERMICA)
ConvezioneMeccanismo 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;
• Nei sistemi biologici: sangue e linfa.
TSQ
In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla
differenza di temperatura T tra radiatore e stanza:
fornello
Conduzione
Meccanismo di propagazione del calore nei solidi
MATERIALI DIVERSI K (kcal m–1 s–1 °C–1)
rameghiaccioacqua
9.2 10–2
5.2 10–4
1.4 10–4
pelle seccapolistiroloaria
0.6 10–4
9.3 10–6
5.5 10–6
T1 T2
d
Td
SKTT
d
SK
t
Q
)( 12
K = conducibilità termica
S
A temperatura ambiente:
Q
Irraggiamento termicoTrasmissione di calore per emissione di onde
elettromagnetiche da parte di un corpo a temperatura T. Avviene anche nel vuoto !
Esempi:
• Energia solare;
• Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse;
• Corpi arroventati emettono luce.
Ogni corpo irradia ed assorbe calore dall’ambiente circostante. Si ha:
TKTTK
QQQ
ba
)(assorbitoirradiato
Uomo
t 37°Ct 0 U 0
processi esotermici
produzione energiaossidazione di : • carboidrati C
• grassi G • proteine P
Metabolismo del corpo umano
Organismo omotermo
• Q interna U > 0
• Q ambiente U < 0
Il corpo deve cedere calore all’ambiente per mantenere costante la temperatura corporea
consumo di O2
Calore latente di evaporazione H2O
(t = 37°C) 580 cal g–1
evaporazione di 100 g H2O 58 kcal = 242.5 kJEsempio
metabolismo basale = M.B. 50 kcal ora–1 m–2
(minima quantità di energia per garantire le funzioni vitali)
Evaporazione
Meccanismo adottato nei sistemi biologici
• Processo endotermico passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora;
• Non dipende dalla differenza di temperatura T.
• conduzione
contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con aria e vestiti
trasmissione interna ed esterna
• irraggiamento
emissione termica
trasmissione esterna
• convezione
diffusione con distribuzione omogenea
del calore interno tramite sangue
trasmissione interna
• evaporazione
sudorazione e respirazione
H 2O (t = 37°C) 580 cal g–1
trasmissione esterna
Trasmissione del calore nel corpo umano
Inefficaci se T=0
esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è
maggiore della temperatura
corporea
Efficace anche se T=0
più efficace se l’ambiente esterno è
secco
o22° 26° 30° 34°
50
100
kcalora
perdita di calore
perdita totale
evaporazione
conduzioneirraggiamento
t°C
Bassa temperatura ambiente (T<< 37 oC):
• vasocostrizione
• brividi, pelle d’oca
Alta temperatura (T 37 oC) o sforzo fisico:
• vasodilatazione
• sudorazione
Processi regolati
dall’ipotalamo
Termoregolazione corporea