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Termologia Lezione 13 Temperatura e calore. Cambiamenti di stato. Dilatazioni termiche. Trasmissione del calore. WWW.SLIDETUBE.IT
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Termologia
Lezione 13
Temperatura e calore.
Cambiamenti di stato.
Dilatazioni termiche.
Trasmissione del calore.WWW.SLIDETUBE.IT
Temperatura e calore
La temperatura in pratica misura quanto un oggetto sia
caldo o freddo.
Per rendere operativa questa definizione osserviamo che
molte proprietà della materia cambiano con la temperatura.
Esempio: molti materiali, se riscaldati, si espandono; la
resistenza elettrica della materia cambia con la
temperatura e lo stesso accade per il colore irraggiato dagli
oggetti caldi.
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Termometri
Gli strumenti che misurano la temperatura sono detti
termometri e tutti operano sfruttando proprietà
della materia che variano con la temperatura.
Quelli più diffusi si basano sull'espansione di un materiale
a seguito ad un aumento di temperatura.
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Termometri importanti per fini
medico-biologiciSono di tre tipi:
1) termometri costituiti da un liquido contenuto in un recipiente di vetro,
nei quali la proprietà termometrica è il volume del liquido rispetto al
volume del contenitore;
2) termometri a resistenza, nei quali la proprietà termometrica è la
resistenza elettrica di una piccola spira;
3) termocoppie, nelle quali la proprietà termometrica è la tensione
termoelettrica prodotta dalla giunzione di due fili di materiale diverso.
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Costruzione di un termometro
empirico: la scala celsius Si sceglie un volume ben definito di un materiale di cui si
possano misurare le variazioni con precisione (esempio: mercurio in un recipiente di vetro).
Si fissano 2 punti sulla scala delle temperature che corrispondono in generale a 2 cambiamenti di stato (fusione del ghiaccio, ebollizione dell’acqua).
Si associa (arbitrariamente) valore 0 alla temperatura di fusione del ghiaccio e valore 100 a quella di ebollizione dell’acqua.
In tal modo si è definita una scala termometrica: la scala
celsius o centigrada, con il grado 0c definito come la
centesima parte dell’intervallo 0-100 fissato.
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Scale termometriche
Scale termometriche più diffuse sono: celsius, Fahrenheit,
Reaumur, Kelvin.
In generale, tutte sono costruite allo stesso modo: si
assegnano due valori arbitrari per due temperature
facilmente riproducibili (es. la temperatura di solidificazione
dell'acqua e quella di ebollizione) e si divide in parti uguali
l'intervallo che le separa.
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0c, 0F, 0R, 0K
Per la scala celsius, quella Fahrenheit e quella Reaumur la
temperatura di solidificazione dell'acqua corrisponde a
0,32,0 rispettivamente. La temperatura di ebollizione
dell'acqua corrisponde invece a 100, 212, 80,
rispettivamente.
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Interpretazione microscopica
della temperatura
Abbiamo visto che le particelle che formano i corpi sono
animate dal moto di agitazione termica ed in media ogni
particella ha sempre la stessa velocità.
La grandezza macroscopica che corrisponde alla
grandezza microscopica agitazione termica è la
temperatura, secondo la relazione di Boltzmann
½ M v2 = 3/2 K T
K= costante di Boltzmann=1.38 10-23 Joule/K
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Temperatura “0”
La relazione di Boltzmann ha permesso di stabilire il
significato di valore “0” della temperatura come quella a cui
corrisponde la condizione di velocità media nulla delle
particelle che costituiscono il corpo.
Nasce dunque naturalmente una scala di temperature il
cui valore 0 ha un significato fisico ben preciso.
Mantenendo poi l’unità già scelta per il grado celsius si
realizza la scala Kelvin o assoluta il cui “0” è a -273.16 0c.
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Calore
Si chiama calore l’energia trasferita fra un corpo (o
sistema) e l’ambiente circostante a causa di una differenza
di temperatura.
N.B.
La temperatura è un’osservabile fisica che determina la
direzione del flusso di calore (da T maggiore a T
minore)
Il calore è una forma di energia, scambiata tra due corpi a
diversa temperatura.
La parità di temperatura blocca il trasferimento di calore.
La temperatura non misura la quantità di calore scambiata.
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Flusso di calore
Q<0: Dal sistema verso l’esterno Q>0: Dall’esterno verso il sistema
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Unità di misura per la quantità di
calore
Caloria: quantità di calore necessaria per aumentare la
temperatura di 1 g di acqua distillata da 14.5 a 15.5 0c.
In meccanica abbiamo già introdotto i concetti di energia
(cinetica) di un corpo e lavoro come meccanismo di
scambio di energia tra 2 corpi che interagiscono
mediante una forza. Calore e lavoro sono due diversi
meccanismi che portano allo stesso risultato: lo scambio di
energia; pertanto devono essere considerati equivalenti.
4.186 = equivalente meccanico
del calore
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Calore ceduto = calore negativo
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Nessuno scambio di calore
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Calore assorbito = calore
positivo
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Esperimento di Joule
Si trasforma energia potenziale gravitazionale in lavoro sulle palette
(contro le forze di attrito dell’acqua)
Si dissipa energia fornita alle palette in attrito e turbolenza del fluido
All’equilibrio si osserva un innalzamento temperatura dell’acqua
(ovvero lo stesso risultato che si ottiene riscaldando direttamente
acqua).
Apparato:
calorimetro ad acqua isolato
termicamente e sistema di
palette, collegate mediante
carrucola ad un peso.
Si trasforma lavoro
meccanico in energia
termica.
1 cal = 4.186 J
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La caloria in fisiologia
In fisiologia: caloria = unità di misura quantità di energia
utilizzabile contenuta negli alimenti (si misura tale energia
bruciando le sostanze alimentari in presenza di ossigeno,
per mezzo di un calorimetro).
In campo nutrizionale si impiega un multiplo caloria, la
chilocaloria:
1 kcal = 103 cal= 1 Cal
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Esempio:
donna 60 kg, 20 anni,
metabolismo basale
(energia minima richiesta da
organismo in stato di riposo):
1378 kcal
fabbisogno energetico:
2320 kcal
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10 principio della termodinamica
Come abbiamo visto, un calore Q>0 significa che è stato (fornito al)
assorbito dal sistema, mentre un Q<0 è stato ceduto dal sistema.
Per quanto riguarda il lavoro invece, un L>0 è stato compiuto dal
sistema, mentre un L<0 è stato compiuto sul sistema.
Se Q indica il calore fornito al sistema ed L è il lavoro meccanico
eseguito in conseguenza dal sistema, si ha il 10 principio della
Termodinamica:
Q=L+ U
ove U è la variazione di energia interna del sistema stesso, a sua
volta una funzione dello stato del sistema che qualitativamente
rappresenta l'energia cinetica media delle molecole.
10 principio della termodinamica è la generalizzazione del principio di
conservazione dell’energia meccanica per sistemi macroscopici.
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20 principio della termodinamica
Il processo di scambio termico di calore ha però una direzione naturale
ben definita, come del resto ogni processo naturale spontaneo (si pensi,
ad esempio, ad un processo di diffusione spontanea).
Questa caratteristica è una delle proprietà fondamentali dell’universo:
essa è rappresentata dall’entropia ed è alla base della formulazione del
20 principio della termodinamica.
Il 20 principio non può essere introdotto in modo elementare senza una
discussione sulle macchine termiche, di scarso interesse per le scienze
biomediche. Ne diamo pertanto una breve descrizione.
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Entropia e disordine
Cominciamo con un esempio. Supponiamo di gettare due dadi e di
ottenere 9 ( la configurazione macroscopica).
Ci sono le seguenti 4 configurazioni microscopiche compatibili con la
detta configurazione macroscopica:
Il numero di configurazioni microscopiche
che corrispondono ad una data configurazione
macroscopica si indica con W.
Per l'esempio precedente W(9)=4.
Analogamente se con i due dadi abbiamo 12,
W(12)=1.
Ci sembrerebbe che 9 sia 4 volte più probabile di 12.
Questo non è vero: tutte le configurazioni microscopiche sono
ugualmente probabili tra loro: un 6 sul primo dado ed un 3 sul secondo
non è più probabile di 6 su entrambi.
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Entropia e disordine
La probabilità più elevata deriva dal fatto che alla configurazione
macroscopica 9 corrispondono 4 configurazioni microscopiche
indipendenti, mentre il 12 ne ha una sola. Questo semplice esempio ha
un corrispettivo nei gas.
Supponiamo che ad un dato istante tutte le molecole di gas occupino
solo un angolo del recipiente (configurazione macroscopica molto
improbabile). Ci sembra più naturale che il gas occupi tutto il
volume a disposizione. Come per i dadi, tutte le configurazioni
microscopiche del gas sono ugualmente probabili.
Macroscopicamente, la configurazione più probabile è quella di
equilibrio, che pertanto deve corrispondere ad un numero elevatissimo
di configurazioni microscopiche.
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Entropia e disordine
Il secondo principio della termodinamica riguarda il fatto statistico che
l'equilibrio, dovendo essere la situazione più probabile, corrisponde ad
un numero elevatissimo di configurazioni microscopiche (disordine). Un
possibile modo di enunciarlo potrebbe essere il seguente:
Un sistema isolato, libero cioè da influenze esterne, passerà da
stati di ordine relativo a stati di disordine relativo, fino a
raggiungere progressivamente lo stato di disordine massimo
(equilibrio).
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Entropia e disordine
L'entropia S è una misura del grado di casualità, definita da
S=k ln W
dove k è una costante e W è il numero di configurazioni
microscopiche che corrispondono alla configurazione macroscopica del
sistema.
Dovendo il sistema (isolato) tendere all'equilibrio, la sua entropia non
diminuisce mai, ovvero la tendenza statistica è nella direzione di
massimo disordine. Se c'e' un processo in cui il grado di casualità
diminuisce senza che vi siano cause esterne, allora c'e' un trucco.
Ovviamente, se il sistema non è isolato ma energia termica può entrare
nel sistema dall'esterno, l'entropia può diminuire!
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