1

TEMPERATURA

Il corpo umano percepisce le variazioni di temperatura con le sensazioni di caldo e freddo

Molte grandezze fisiche variano al variare della temperatura

volume dei corpi

pressione di un gas

viscosità di un liquido

resistenza elettrica

È possibile usare una di queste grandezze fisiche per definire e misurare la temperatura

2

MISURA DELLA TEMPERATURA

Per la misura della temperatura si usa il termometro: un bulbo riempito di mercurio che può espandersi in un capillare di vetro

37

38

36

39

40

41C

Al variare della temperatura del bulbo il mercurio di espande nel capillare e le sue variazioni di lunghezza sono tradotte in misura della temperatura

Al variare della temperatura del bulbo il mercurio di espande nel capillare e le sue variazioni di lunghezza sono tradotte in misura della temperatura

La temperatura del corpo umano si misura con i termometri "a massima"La temperatura del corpo umano si misura con i termometri "a massima"

3

SCALE TERMOMETRICHE

Cels

ius

Fare

nh

eit

F C 100

37

0

212

96

32

PUNTI FISSI CELSIUS FARENHEIT

ghiaccio fondente 0oC 32oF

acqua bollente 100oC 212oF

F

F

CFC

180

32

100

cambiamenti di scala

4

DILATAZIONE TERMICA

Quasi tutti i corpi si dilatano quando la temperatura aumenta )1(0 VV

è il coefficiente di dilatazione termica

1.000

0.999

0.998

0.997

cm3

V0 V0

1.000

0.999

0.998

0.997

g/c

m3

cm3

V0 V0

T (°C)0 4

L’acqua ha un comportamento anomalo:

Il suo volume decresce con l’aumentare della temperatura fino a 4 C e poi aumenta all’aumentare della temperatura

5

LEGGI DEI GAS PERFETTI

Isoterma = cost pV = cost

Isobara p = cost V = Vo(1+)

Isocora V = cost p = po(1+)

C273

1Per tutti i gas reali risulta

approssimativamente

Si chiama gas perfetto o gas idealegas ideale, quel gas che obbedisce incondizionatamente alle precedenti leggi.

6

EQUAZIONE DI STATO

n : numero di moli

R: costante universale

T: temperatura assoluta

pV= nRT

T= c+273.2oC e si misura in gradi kelvin (K)

Kmol

joule

Kmol

cal

Kmol

atmlitriR

31.898.1082.0

mole: quantità in grammi pari alla massa molecolare

NA (numero di Avogadro): numero di molecole contenute in 1 mole (6.021023)

7

CALORE

Si chiama energia interna la somma delle energie, cinetica (moto di agitazione molecolare) e potenziale (forze di legame intermolecolare), possedute dagli atomi e dalle molecole che costituiscono un corpo.

All’interno di un solido, liquido, gas, le molecole sono in un continuo moto di agitazione completamente disordinato.

La temperatura è la misura dell’energia cinetica media delle molecole.

8

CALORE

È stato osservato che ad ogni diminuzione di energia meccanica, si verifica un riscaldamento, cioè la produzione di calore.

Si chiama calore l’energia assorbita o ceduta da un corpo a livello molecolare, cioè l’energia direttamente assorbita o ceduta dalle molecole del corpo.

Il calore scambiato da un corpo può produrre:1) una variazione di temperatura (variazione dell’energia molecolare);2) una variazione dello stato di aggregazione del corpo (modificazione dei legami molecolari, cioè dell’energia chimica).

9

CALOREkilocaloria (kcal) o grande caloria (Cal): quantità di calore necessaria per portare da 14.5 C a 15.5 C la temperatura della massa di 1 kg di acqua distillata.

caloria o piccola caloria (cal): quantità di calore necessaria per portare da 14.5 C a 15.5 C la temperatura della massa di 1 g di acqua distillata.

1 kcal = 1 Cal = 1000 cal

Il calore è una forma di energia e nel S.I. si misura in joule (J). Molti esperimenti hanno determinato l’equivalente meccanico della caloria

1 kcal = 4180 joule1 cal = 4.18 joule

10

CALORESe lo scambio di calore non modifica lo stato di aggregazione di un corpo, il calore scambiato è

Q = C (f - i)Q > 0 calore assorbitoQ < 0 calore ceduto

C = capacità termica Se il corpo è omogeneo C=mcs

cs è il calore specifico e la sua unità di misura è

Ckg

joule

Cg

cal

Ckg

kcal

418011

11

CALORE

Quando due corpi a diversa temperatura sono posti in contatto termico, si ha passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo fino a quando essi assumono la stessa temperatura (equilibrio termico).

m1 c1 ( - 1) + m2 c2 ( - 2) = 0

Temperatura di equilibrio

2211

222111

cmcm

cmcm

12

CAMBIAMENTI DI STATO

Il cambiamento di stato avviene ad una definita temperatura che dipende dalla sostanza e dalla pressione esterna

Il cambiamento di stato avviene isotermicamente ed è accompagnato da uno scambio di calore, legato alle variazioni dell’energia chimica di legame

SOLIDOSOLIDO LIQUIDOLIQUIDO VAPOREVAPORE

fusione

solidificazione

ebollizione

condensazione

13

CAMBIAMENTI DI STATOSi definisce calore latente L la quantità di calore necessaria per far compiere isotermicamente all’unità di massa della sostanza un passaggio di stato

Calore necessario per il passaggio di stato di una massa m di quella sostanza

LmQ

Per il passaggio di stato ghiaccio-acqua alla pressione atmosferica g

cal

kg

kcal L 8080

14

CAMBIAMENTI DI STATOCambiamenti di stato che avvengono a tutte le temperature ed i rispettivi calori latenti dipendono dalla temperatura

SOLIDOSOLIDO

LIQUIDOLIQUIDO

sublimazione

evaporazione

VAPOREVAPORE

L’evaporazione avviene sino a quando l’ambiente non raggiunge la saturazione, cioè non può contenere altre molecole di quel liquido (vapore saturo)

La pressione o tensione di vapore saturo è caratteristica della sostanza ed è funzione crescente della temperatura

15

CAMBIAMENTI DI STATO

Temperatura di un campione di acqua in funzione del tempo quando viene somministrato un flusso costante di calore a pressione costante (1 atm).

Tem

pera

tura

(C

)

Tempo

0

-25

25

50

75

100

125

p=1 atm

16

PROPAGAZIONE DEL CALORE

Il calore si propaga per conduzione (nei solidi senza movimento di materia) convezione (nei fluidi con movimento di materia) irraggiamento (per onde elettromagnetiche)

La temperatura della pelle varia da punto a punto e sensibili variazioni di temperatura hanno luogo quando esiste qualche anomalia circolatoria o cellulare.Su questo principio si basa la termografia, in grado di rivelare variazioni di 0.1 C.

17

TERMOREGOLAZIONELa sorgente del calore corporeo è il metabolismo degli alimenti.

Un uomo di 70 kg in condizioni di riposo produce circa 70 kcal/h; durante un esercizio fisico la produzione di calore può essere anche 20 volte maggiore

La temperatura del corpo è rilevata da alcuni neuroni dell’ipotalamo, che sono sensibili alla temperatura del sangue circostante ed attivano alcuni meccanismi per mantenere affinché la temperatura rimanga costantemente uguale a 37 °C.

18

TERMOREGOLAZIONE

I meccanismi di termoregolazione possono favorire la cessione del calore (vasodilatazione, sudorazione, ...), ridurla (vasocostrizione) o produrre calore (brivido, ...).

L’equilibrio si raggiunge quando: Hm= Hc+Hi+Ht+He

Hm: calore prodotto dal metabolismo

Hc: calore dissipato per convezioneHi: calore dissipato per irraggiamentoHt: calore dissipato per traspirazione del sudoreHe: calore dissipato per evaporazione polmonare

19

LAVORO DI UN GAS

Espansione di un gas a pressione costante

A1

B1

p

V

A B

VA VB

Il lavoro è una forma di trasferimento d’energia fra sistema ed ambiente esterno diversa dal calore.

VphpShFL

20

PRIMO PRINCIPIO TERMODINAMICAPoiché il calore ed il lavoro sono due “modi di trasferimento dell’energia”, quando in un sistema termodinamico entra energia sotto forma di calore Q ed esce energia sotto forma di lavoro L, la loro differenza viene immagazzinata dal sistema sotto forma di energia interna U.

Q LUi Uf

U = Uf - Ui = Q - L

21

SECONDO PRINCIPIO TERMODINAMICA

I fenomeni naturali presentano un verso privilegiato di evoluzione, quando avvengono spontaneamente:1) Il lavoro si trasforma in calore;2) Il calore passa spontaneamente da un corpo più freddo ad un corpo più caldo.

È possibile rovesciare il verso naturale di questi fenomeni

È possibile trasformare una parte del calore prelevato ad una sorgente in lavoro, ma occorre cedere il rimanente ad un’altra sorgente ad una temperatura più bassa.

È possibile trasferire del calore da un corpo “freddo” ad un corpo “caldo”, impiegando un certo lavoro.

22

SECONDO PRINCIPIO TERMODINAMICA

Calore e lavoro, pur essendo due diverse forme di energia, non sono del tutto equivalenti:Il lavoro è una forma di energia ordinata (più pregiata), mentre il calore è una forma di energia disordinata (meno pregiata).

Formulazione di Kelvin: “È impossibile realizzare una macchina che, lavorando in ciclo, trasformi interamente in lavoro il calore prelevato ad una sorgente.”

Formulazione di Clausius: “È impossibile che il calore passi da un corpo più freddo ad uno più caldo senza una adeguata spesa di lavoro.”

Si dimostra che le due formulazioni sono equivalenti.

23

METABOLISMO DEL CORPO UMANO

L’energia utilizzata dall’organismo umano, per il suo funzionamento e per compiere una certa attività, è fornita dagli alimenti.

Ad esempio:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 666 kcal

alla pressione di 1 atm occorrono 134.4 litri di ossigeno per liberare 666 kcal.

Contenuto energetico del glucosio:

g

kcal

g

kcal7.3

180

666

Valore calorico dell’ossigeno:

litro

kcal

litri

kcal5

4.134

666

24

METABOLISMO DEL CORPO UMANO

Misurando il consumo d’ossigeno è possibile calcolare la variazione di energia interna all’interno dell’organismo.

Metabolismo basale: consumo di energia per kg di peso corporeo e per secondo in condizioni di riposo. In media i valori sono:

kg

W2.1 per le donne

kg

W1.1per gli uomini

25

METABOLISMO DEL CORPO UMANO

Valori approssimati delle potenze metaboliche per unità di massa relative ad un uomo di 20 anni durante lo svolgimento di varie attività in W/kg

Dormire 1.1

Giacere sveglio 1.2

Sedere eretto 1.5

Stare in piedi 2.6

Camminare 4.3

Rabbrividire 7.6

Pedalare 7.6

Spalare 9.2

Nuotare 11.0

Spostare mobili 11.0

Sciare 15.0

Correre 18.0

26

METABOLISMO DEL CORPO UMANO

Il calore prodotto viene solo in parte trasformato in lavoro. Il resto viene eliminato tramite i meccanismi di termoregolazione

Efficienza con cui l’organismo utilizza l’energia chimica degli alimenti per compiere lavoro

tU

tU

tL

efficienzab

Spalare 3%

Sollevare pesi 9%

Salire una scala 23%

Pedalare 25%

Camminare in salita 30%