I FENOMENI TERMICI

Temperatura Calore Trasformazioni termodinamiche Gas perfetti Temperatura assoluta Gas reali Principi della Termodinamica Trasmissione del calore Termoregolazione del corpo umano

Temperatura

Indice “oggettivo” (=quantitativo) dello stato termico di un corpo

(caldo – freddo)

V(t) = Vo (1+at)

Strumento di misura: termometro

100°

0°

50°

°C

41°

36° 37° 38° 39° 40°

42° °C

termometro clinico (tMAX si conserva)

Per definire senza ambiguità una scala di temperature si sfrutta la

dilatazione termica dei corpi:

Proprietà intrinseca dei corpi

grandezza fondamentale

Scale termometriche

CELSIUS (°C)

0° 100° acqua

KELVIN (°K)

T (°K) = t (°C) + 273°

–273°

–200°

–100°

100°

200°

°C

0°

0°

100°

200°

300°

400°

°K

T

373°

273°

–273°

scale centigrade t Principio dell’equilibrio termico:

due corpi messi a contatto tendono a raggiungere la stessa temperatura

Calore

Temperatura = indice dello stato termico di un corpo

Calore = forma di energia

A livello microscopico, la materia è costituita da un gran numero di particelle, più o meno legate le une alle altre energia di legame

in continuo movimento (agitazione termica) energia cinetica

Energia interna = somma delle energie cinetiche, potenziali e di legame di tutte le particelle

Riscaldamento / raffreddamento = scambio di calore Q

= trasferimento di energia interna tra corpi

Caloria

Unità di misura praticapratica : caloriacaloria (cal)

(Spesso: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal)

1 caloria = quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1oC Q Dt di 1 g Q m di acqua Q sostanza

Se Q si esprime in cal:

L = J Q

equivalente termico del lavoro equivalente meccanico della caloria

J = L

Q = 4.18 joule/cal

Q = c m Dt

calore specifico

il calore e’ energia!

Trasformazioni termodinamiche

E’ impossibile “seguire” il moto di agitazione termica di un gran numero di particelle (~NA=6.022•10

23)

descrizione fenomenologica descrizione statistica

SISTEMA TERMODINAMICO: insieme di particelle con uguali proprietà termodinamiche

isolato: non scambia materia né energia con l’esterno chiuso: non scambia materia ma scambia energia con l’esterno

TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE: variazione dei parametri termodinamici di un sistema pressione pressione costante isobara volume volume costante isocora temperatura temperatura costante isoterma

Trasformazioni di stato

Fornendo/sottraendo calore a una sostanza, la sua temperatura aumenta/diminuisce proporzionalmente

alla quantità di calore fornita/sottratta: Q = c m Dt

Ma per ogni sostanza esistono due valori “critici” di temperatura che “interrompono” la legge di proporzionalità QDt: • temperatura di fusione/solidificazione • temperatura di evaporazione(ebollizione)/liquefazione

Quando la temperatura raggiunge uno dei due valori critici, tutto il calore ulteriormente fornito/sottratto non viene utilizzato per variare la temperatura, ma per rompere/ricostruire i legami tra gli atomi/molecole (forze di coesione), provocando il passaggio di stato solido/liquido, liquido/gassoso o viceversa dell’intera massa m della sostanza.

Gas perfetti

Un gas è perfetto/ideale se: ha molecole puntiformi e’ trascurabile il volume proprio delle molecole

le molecole subiscono urti elastici dopo l’urto le particelle rimangono sempre le stesse

Di fatto è la stessa situazione dei liquidi perfetti (v. Teorema di Bernoulli): si trascurano gli attriti.

In questo modo il gas perfetto risulta essere il sistema termodinamico piu’ semplice,

caratterizzato solo dai 3 parametri termodinamici pressione, volume, temperatura.

Leggi dei gas perfetti

1) legge di Boyle: a t cost., pV = costante

Per i gas perfetti si verificano 3 (+1) leggi sperimentali:

2) 1a legge di Gay-Lussac: a p cost., Vt = V0(1+at)

3) 2a legge di Gay-Lussac: a V cost., pt = p0(1+at)

con a = 1

273° 4) legge di Avogadro:

per due gas diversi, a p1=p2, V1=V2, t1=t2, risulta N1=N2

Relazioni tra p,V,t

a t cost., pV = costante Boyle p 1/V pV = cost.

a p cost., Vt = V0(1+at) Gay-Lussac 1 V t V/t = cost.

a V cost., pt = p0(1+bt) Gay-Lussac 2 p t p/t = cost.

Le tre leggi dei gas perfetti stabiliscono proporzionalità “a due a due” tra i 3 parametri p,V,t.

Combinando le diverse situazioni, cioè facendo variare successivamente tutti e 3 i parametri, si dimostra che vale la proporzionalità nota come equazione di stato dei gas perfetti

pV t pV/t = costante

Equazione di stato dei gas perfetti

condiz.finali p, V, t

equazione di stato

dei gas perfetti Alla fine:

condiz.iniziali p0, V0, t0

pV = T T0

p0V0

Purché la temperatura sia espressa come

temperatura assoluta: T = t (°C) + 273°

Importante implicazione: per T=0 o T<0 volumi e pressioni perderebbero di significato!

T = 0°K = -273°C LIMITE MINIMO DELLE TEMPERATURE

ZERO ASSOLUTO

Unità di misura: grado Kelvin

(= grado Celsius)

Ma i gas reali sono perfetti?

N2 – 147.1

O2 – 118.8

CO2 +31.3

H2O +374.1

Tc (oC) azoto

ossigeno

anidride carbonica

acqua

a 37 oC:

perfetto perfetto ??? reale

Gas fisiologici:

Un gas reale può condensare e solidificare.

Parametro importante: Tc = temperatura critica Per T > Tc il gas non può in alcun modo passare alla fase liquida,

a causa dell’agitazione termica. Quindi un gas reale si può considerare come un gas perfetto

quando è lontano dalle condizioni di condensazione (basse pressioni, grandi volumi)

e a temperatura molto più alta della temperatura critica.

1o principio della Termodinamica

Conservazione dell’energia nei fenomeni termici: il calore fornito/sottratto finisce

in parte in variazione di energia interna (temperatura) in parte in lavoro compiuto dal/sul sistema

JQ = DU + L

Quantità di calore in joule

(J=4.18 joule/cal)

Q>0 calore fornito Q<0 calore sottratto

Variazione di energia interna DU>0 aumento

DU<0 diminuzione di temperatura

Lavoro compiuto L>0 dal sistema

(espansione) L<0 sul sistema

(compressione)

2o principio della Termodinamica

Non tutte le trasformazioni ammesse avvengono in natura: ci sono limitazioni spontanee al 1o principio della Termodinamica

E’ sempre possibile trasformare tutto il lavoro in calore (es. arresto di una macchina mediante freni per attrito)

MA

Non è mai possibile trasformare tutto il calore in lavoro utilizzando una sola sorgente di calore

Enunciato equivalente:

Il calore non può passare da un corpo più freddo a uno più caldo

spontaneamente, cioè senza lavoro compiuto dall’esterno

L’energia nelle macchine termiche

“Macchina” = ogni dispositivo che sfrutta una forma di energia per produrre lavoro o in generale un’altra forma di energia

In teoria, tutte le macchine potrebbero avere rendimento h = 100 %,

tranne quelle che trasformano calore in lavoro (lo impedisce il 2o principio della Termodinamica)

Cascata: energia potenziale energia elettrica lavoro meccanico hteor=100%

Pila: energia elettrica lavoro meccanico hteor=100%

Sistemi biologici (corpo umano): energia chimica calore lavoro meccanico + altro calore h<100%

Es.

Trasmissione del calore

Modalità di trasmissione del calore:

CONDUZIONE senza trasporto di materia (solidi)

CONVEZIONE con trasporto di materia (liquidi, gas)

IRRAGGIAMENTO emissione di onde elettromagnetiche (solidi, liquidi, gas)

EVAPORAZIONE emissione di vapore acqueo (calore di evaporazione dell’acqua a 37oC: 580 cal/g)

e, nei sistemi biologici,

Metabolismo del corpo umano

Corpo umano “macchina” a energia interna (chimica)

t 37oC Dt 0 DU 0

Aumento di energia (Q>0): reazioni chimiche esotermiche (ossidazione carboidrati, grassi, proteine)

Diminuzione di energia (Q<0): emissione di calore nell’ambiente lavoro esterno (attivita’ vitali) lavoro interno (attivita’ vitali)

I due effetti si devono bilanciare

Termoregolazione del corpo umano

Modalita’ di trasmissione del calore nel corpo umano:

CONDUZIONE interno: contatto tra organi esterno: contatto tra cute e aria o vestiti

CONVEZIONE interno: diffusione omogenea del calore tramite liquidi biologici (sangue e linfa)

IRRAGGIAMENTO esterno: emissione termica

EVAPORAZIONE esterno: sudorazione e evaporazione

Temperatura e umidità

Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalla differenza tra la temperatura corporea e quella ambiente.

L’evaporazione dipende dal tasso di umidità relativa: rapporto tra le pressioni di vapor acqueo di vapor saturo.

o 22° 26° 30° 34°

50

100

kcal ora

perdita di calore

perdita totale evaporazione

conduzione irraggiamento

t °C

Quando la temperatura ambiente si avvicina ai 37oC, i normali meccanismi di trasmissione del calore non contribuiscono più; rimane solo l’evaporazione, ma solo se l’ambiente non è troppo umido.