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Marina Cobal - Dipt.di Fisica -Universita' di Udine 1

Energia


Conservazione della Massa

n Enuncia il principio diconservazione della massa: La Materia non viene nècreata nè distrutta, ma cambia solamente forma

Antoine-Laurent Lavoisier(1743-1794) e sua moglie


Conservazione della massaLa Materia e’ composta da Atomi che non possonoessere nè creati nè distruttiLa Materia e’ composta da Atomi che non possonoessere nè creati nè distrutti

John Dalton

(1766-1844)


‘Spiegazioni’ di altri Fenomeni

n L’elettricità è generata dal flusso di due fluidi,

chiamati ‘vetroso’ e ‘resinoso’

n Il magnetismo è generato dal flusso di due altrifluidi, chiamati ‘australe’ e ‘boreale’

n Il Calore invece era il flusso di un singolo fluido, chiamato ‘calorico’


Le Nuove Forme di Energia

n Nel diciottesimo secolo, il medico italiano Luigi Galvani (1737-1798) scoprì che un conduttore bimetallico caricato elettricamente poteva far muovere le zampe di rane morte.

n Si pensò che l’elettricità scorresse dentro ogni essere vivente.

n Il romanzo Frankenstein, di Mary Shelley (1797-1851) e’basato su queste teorie


Le Nuove Forme di Energian nel 1791, Galvani attribuì ai tessuti animali

la capacità di produrre elettricità.n Alessandro Volta (1745-1827) riconobbe

che “l’effetto Galvanico”, il movimento delle zampette di rana, era da ricondurre al passaggio della corrente nei tessuti animali, incapaci di produrre elettricità.

n Nel 1800, Volta costruì la prima pila, Quest’apparato era in grado di produrre chimicamente corrente elettrica.


Le Nuove Forme di Energian Michael Faraday (1791-1867) scopri’ che il passaggio

di elettricità in una soluzione poteva indurre delle

reazioni chimiche

n Hans Christian Ørsted (1777-1851) scopri’ che la

corrente elettrica poteva generare un campo

magnetico.

n Thomas Seebek osservo’ che anche il calore poteva

venire convertito in elettricità, scoprendo l’effetto

termoelettrico


L’Energian Tutti questi fenomeni mostravano chiaramente

come elettricità, magnetismo, calore e reazioni chimiche erano strettamente correlati

n Poteva il principio della conservazione dellasomma di energia cinetica e potenziale, valere anche per altre forme di energia?

n Cominciò a poco a poco a farsi strada l’idea che la moltitudine di fenomeni osservati potevano essere visti come la trasformazione di un’unica entità che cambiava solamente forma: l’Energia


La Natura del Calore

n Per lungo tempo Calore e Temperatura furonoconfusi

n Ora noi sappiamo che il calore è una forma di energia, dovuta all’incessante movimento degli atomi e delle molecole di cui sono composti i vari oggetti. Essendo una particolare forma di energia, non ci deve sorprendere che non si conservi, così come non si conservano altre forme di energia.


La Natura del Calore

n L’idea che il calore e il lavoro fossero interconvertibili si sviluppò piano piano nel corso dei secoli, ma con un cammino ben lungi dall’essere lineare e semplice come spesso viene presentato sui libri di testo.

n Accostate le vostre mani leggermente e sfregatele lentamente, senza troppo vigore. Non succede nulla. Provate ora a premerle una contro l’altra con forza e sfregarle vigorosamente. Immediatamente le mani si scaldano. Da dove arriva il Calore?


Sir Francis Bacon e il Caloren Nel 1620 Bacon ebbe l’intuizione

che il calore era nient’altro che “movimento, rapida e vigorosa agitazione delle particelle di cui ècomposta la materia “

n Mori’ di bronchite sperimentandol’idea che il freddo potesseprevenire la putrefazione della carne e permetterne la sua conservazione.

n La sua teoria del calore vennedimenticata

Francis BaconFrancis Bacon (1561(1561--1626)1626)NNato nel 1561 da una potente ato nel 1561 da una potente famiglia alla corte della Regina famiglia alla corte della Regina Elisabetta I di InghilterraElisabetta I di Inghilterra..


La Teoria del Caloricon l’opinione prevalente (Lavoisier, Fourier, Laplace e

Poisson), era che il calore fosse una sorta di fluido misterioso, il calorico, che fluiva in ogni sostanza e spontaneamente passava da un corpo caldo ad un corpo freddo.

n Nonostante i numerosi tentativi, il calorico sfuggiva ad ogni sforzo per essere isolato e investigato direttamente. Pian piano aumentava l’evidenza sperimentale e teorica che la teoria del calorico fosse errata.


La Teoria del Caloricon I corpi caldi contengono piu’ calorico del corpi

freddi

n Mettendo a contatto un corpo caldo con un corpofreddo, il calorico fluisce dal corpo caldo a quellofreddo


La Teoria del Caloricon Benjamin Thompson, Conte

Rumford, supervisionava la fabbricazione di cannoni.

n Il corpo di un cannone veniva fabbricato a partire da un cilindro di metallo, in cui veniva prodotto meccanicamente un foro del diametro desiderato.

n L’attrito meccanico generava moltissimo calore.

Benjamin ThompsonBenjamin Thompson(1754(1754--1814) 1814) nato nella colonia del nato nella colonia del MassachusettsMassachusetts. Trasferitosi in . Trasferitosi in Europa, lavorEuropa, lavoròò al al servizio del servizio del Duca di Baviera. Fu nominato Duca di Baviera. Fu nominato ““Conte del Sacro Romano Conte del Sacro Romano ImperoImpero””, e scelse di chiamarsi , e scelse di chiamarsi ““Conte RumfordConte Rumford””


Il Conte Rumford

n Thompson immerse un blocco metallico in acqua, e dimostrò che era necessaria la stessa quantità di calore per innalzare di un grado la polvere metallica generata, oppure un blocco di metallo dello stesso peso. Il calore prodotto proveniva semplicemente dal lavoro meccanico compiuto per forare il cannone.

nn La teoria del calorico sostenenva La teoria del calorico sostenenva che, la polvere di metallo poteva che, la polvere di metallo poteva ““contenerecontenere”” meno calorico del blocco meno calorico del blocco di metallo originale. Durante la di metallo originale. Durante la lavorazione del cannone, il calorico lavorazione del cannone, il calorico non poteva pinon poteva piùù essere immagazzinato essere immagazzinato nella polvere metallica, e veniva nella polvere metallica, e veniva disperso sotto forma di calore.disperso sotto forma di calore.


Il Caloricon Il calore quindi non era una sostanza.

n Le idee sbagliate però sono dure a morire, e la teoria del calorico sopravvisse ancora un poco.

n Ancora oggi, nel linguaggio comune, sono presenti dei “resti linguistici” di quella teoria. Parliamo infatti di calore che “entra” ed “esce” dai corpi, o dalle finestre aperte. L’uso della caloria(cal) come unità di energia è una vestigia di quel passato.


James Prescott Joulen Il riconoscimento e l’enunciazione del principio

universale della conservazione dell’energia è dovuto principalmente a James Prescott Joules (1818-1889), birraio e appassionato di scienza.

nn In suo onore oggi usiamo il In suo onore oggi usiamo il joulejoule come come unitunitàà di misura del lavoro e delldi misura del lavoro e dell’’energia energia del del SSistema istema IInternazionale (SI). Tuttavia nternazionale (SI). Tuttavia in alcuni campi sono ancora utilizzate le in alcuni campi sono ancora utilizzate le caloriecalorie, ad esempio nelle etichette dei cibi, , ad esempio nelle etichette dei cibi, ((in realtin realtàà KilocalorieKilocalorie).).


L’Esperimento di Joulen Joules provò l’equivalenza tra

calore e lavoro meccanico

Il Il lavorolavoro eseguitoeseguito per far per far ruotareruotare le pale, le pale, causacausa un un aumentoaumento delladella temperaturatemperaturadell’acquadell’acqua

nn Joules mostrJoules mostròò anche che la quantitanche che la quantitàà di calore di calore prodotto era proporzionale alla quantitprodotto era proporzionale alla quantitàà di lavorodi lavoro


Conservazione dell’Energia

Julius Robert von Mayer (1814-1878)

nn Julius Robert von Mayer fu Julius Robert von Mayer fu ilil primo a primo a enunciareenunciare esplicitamenteesplicitamente ilil principioprincipio didiconservazioneconservazione dell’energiadell’energia

Le varie forme di energia(Chimica, Elettrica, Magnetica, Meccanica, Calore) si possono trasformare una nell’altra, ma l’energia totale rimane costante

Le Le varievarie formeforme didi energiaenergia((ChimicaChimica, , ElettricaElettrica, , MagneticaMagnetica, , MeccanicaMeccanica, , CaloreCalore) ) sisi possono possono trasformaretrasformare unauna nell’altranell’altra, ma , ma l’energial’energia totaletotale rimanerimane costantecostante


Massa-Energian Oggi i due principi fondamentali di

conservazione sono stati riuniti in un unico principio: la conservazione della massa-energia

E = mc2EE = = mcmc22

Albert EinsteinAlbert Einstein (1879(1879--1955)1955)


Lavoro


Cosa e’ l’Energia

L’EnergiaL’Energia e’, e’, grossolanamentegrossolanamente, la , la capacita’ capacita’ didi compierecompiere un un LavoroLavoro

Un Un LavoroLavoro e’ e’ unauna ForzaForza moltiplicatamoltiplicataper per unouno spostamentospostamento


n l’Energia cinetica e’ legata al moto di un corpo

Energia Cinetica

2mv21E = 2mv21E =


Energia potenziale

nn l’Energial’Energia potenzialepotenziale e’ e’ dovutadovuta allaalla posizioneposizione didi un un corpocorpo in un campo in un campo didi forzeforze

mghE =mghE =

nn AltriAltri campicampi didi forzeforzegeneranogenerano diverse diverse funzionifunzionididi energiaenergia potenzialepotenziale


n L’unita’ di misura del sistema SI e’ ilJoule.

n 1.00 kg m2/s2 = 1.00 Joule (J)

n In Chimica alcuni usano ancora le calorie: 1 cal = 4.184 J

Unita’ di misura dell’Energia


Il Lavoron Consideriamo un sistema con delle forze non

bilanciate

nn QuesteQueste forzeforze causanocausano unouno spostamentospostamento: : vienevienecompiutocompiuto un un LavoroLavoro


Tipi di Lavoro Meccanico


Lavoron Il lavoro e’ una Forza per uno Spostamento

n Tuttavia, se la forza non e’ costante, siconsidera il lavoro infinitesimo

xFw ∆= xFw ∆=

∫=

==2

1

x

x

Fdxw

Fdxdw

∫=

==2

1

x

x

Fdxw

Fdxdw


Vari tipi di Lavoro

n Con il progredire delle conoscenze scientifiche, altri tipi di lavoro si sono aggiunti al lavoro meccanico. Ad esempio il lavoro elettrico, o magnetico, in cui, apparentemente non vi è un movimento macroscopico

n Cosi’, parlando di “lavoro”, possiamo limitarci a considerare il lavoro meccanico compiuto da un gas

nn Almeno concettualmente, si possono Almeno concettualmente, si possono trasformaretrasformare tutte le tutte le varietà di lavoro in lavoro meccanico. Anche varietà di lavoro in lavoro meccanico. Anche l’espansionel’espansione(o (o compressionecompressione) di un gas in un cilindro può essere ) di un gas in un cilindro può essere convertita in lavoro utile per sollevare convertita in lavoro utile per sollevare unun peso. peso.

30

Lavoro in Termodinamica

n In Chimica molte reazioni coinvolgono gas, e possono generare lavoro. Vista l’equivalenza tratutti i tipi di lavoro, considereremo solo il Lavorodi Espansione di un Gas

n Convenzione: quando un sistema di espandecontro una pressione esterna costante pex, illavoro fatto dal sistema e’ -pex ∆V.

w = - pex ∆Vw = w = -- ppexex ∆∆VV


n Sistema: Parte dell’Universo che siamointeressati a studiare

n Ambiente: Tutto il resto

n Universo = Sistema + Ambiente

Sistema e Ambiente


Lavoro di Espansione

n Se un Gas si espande nella contro una forza F per una distanza dx , il lavoro compiuto e’ -Fdx.

AA

ddxx

ddVV

FF

mm dwdw = = --FdxFdx = = --pApAddxx = = --ppddV V

∫−=2

1

V

V

pdVw ∫−=2

1

V

V

pdVw

mm In forma In forma integraleintegrale


Convenzione del Segno

dVpdw ex−= dVpdw ex−=Il segno negativo indica che, quando il sistema lavora contro una forza esterna, la sua energia interna diminuisce

Notate che è la pressione ESTERNA che determina il lavoro, NON quella internaNotate che è la pressione Notate che è la pressione ESTERNAESTERNA che determina il che determina il lavoro, lavoro, NONNON quella internaquella interna

GasGas PPexex


Interpretazione Grafica del Lavoro

1. Rappresenta un’area nel piano PV (in modulo)

2. Dipende dal cammino11

22WW

pp

V

11

22WW

pp

VV

curvalasottoAreapdVWV

V

−=−= ∫2

1

curvalasottoAreapdVWV

V

−=−= ∫2

1


Interpretazione Grafica del Lavoro


Funzione di Stato

nn Un Un banalebanale esempio di esempio di funzione di statofunzione di stato èè ll’’altezzaaltezza

n Una funzione di stato è una proprietàdel sistema che dipende solamente dallo stato in considerazione, e non dalla natura del processo (cammino)attraverso il quale il sistema èarrivato allo stato attuale


Funzioni di Stato

inizialefinale hhh −=∆ inizialefinale hhh −=∆

0=∆ hciclo 0=∆ hciclo

0=∫l

dlh 0=∫l

dlh

∆∆hh non non dipendedipende daldal camminocammino


L NON e’ una funzione di stato

n Il Lavoro compiutodipende dal cammino

n L’altezza finale nondipende dal cammino

n Il tempo trascorsodipende dal cammino

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