TERMODINAMICA Lezione10... · 2017-05-09 · Temperatura: - è una grandezza ... Temperatura e...

TERMODINAMICA

Temperatura:

- è una grandezza macroscopica correlata al nostro senso di

caldo e di freddo;

- due persone diverse possono definire “caldo” o “freddo” lo

stesso oggetto.

- è quella grandezza che viene misurata con un termometro.

Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria

C.d.L. Scienze e Tecnologie Agrarie, A.A. 2016/2017, Fisica

Un po’ di storia …

• Galileo nel 1610 descrive un “termoscopio” per misurare la

temperatura, però mancava un valore standard di

riferimento.

• Nel 1641 viene costruito, per Ferdinando II Granduca di

Toscana, il primo termometro ad alcool in vetro. Vi erano

segnate 50 tacche arbitrarie.

• Nel 1702, Roemer suggerisce l’uso di due valori fissi

standard su cui basare una scala di temperature.



Gabriel Daniel Fahrenheit nel 1724 inventa il termometro a mercurio, che

possiede una grande e regolare espansione termica.

I due punti fissi sono:

– 0: la temperatura di una miscela di cloruro d’ammonio e ghiaccio;

– 100: la temperatura di un corpo umano in salute.

In seguito Fahrenheit modificò la scala in modo tale che la temperatura di

fusione del ghiaccio fosse 32 °F e il punto di bollizione dell’acqua 212 °F.



Nel 1745 Anders Celsius propone una scala divisa in 100 gradi basata

sulla temperatura di fusione del ghiaccio (0 °C) e di ebollizione dell’acqua

(100 °C).

Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dell’acqua, fissato a

0.01 °C.

La scala Kelvin pone a 273.16 K il punto triplo.



Il kelvin è definito come 1 / 273.16 della temperatura termodinamica

del punto triplo dell'acqua.

In SI si utilizza la scala Kelvin:

TK = T°C + 273.15; T°C = TK - 273.15

0 °C 273.15 K

100 °C 373.15 K

Scala Kelvin:



T(K) = T(C)



Scala Fahrenheit:

TF = 1.8 T°C + 32°

T°C = (TF - 32°) / 1.8

Dalla sensazione di caldo o di freddo si passa al concetto di stato termico.

freddo caldo

interazione termica

equilibrio termico



I due corpi sono in equilibrio termico quando hanno raggiunto la

stessa temperatura.

Es. Termometro – corpo umano.

Principio zero della termodinamica

Due corpi in equilibrio termico con un terzo, sono in

equilibrio termico tra di loro.

A B

C

isolante

A B

C

isolante

A B

C



Temperatura e calore:

Sistema (TS)

Ambiente (Ta)

QTS > Ta Q < 0

Sistema (TS)

Ambiente (Ta)

TS = Ta Q = 0

Sistema (TS)

Ambiente (Ta)

QTS < Ta Q > 0

Energia termica (interna) è l’insieme delle

energie cinetiche e potenziali associate ai moti

casuali dei atomi e molecule.

E = N f ½ k T

N particelle aventi f gradi di libertà quadratici.

f = 3 per un gas monoatomico (He, Ar)

f = 5 per un gas biatomico (N2, O2)

k = 1.38 ×10−23 J/K

TS e Ta si modificano fino a diventare uguali – tale

cambiamento è dovuto al trasferimento di energia

tra il sistema e l’ambiene.



Temperatura e calore:

Sistema (TS)

Ambiente (Ta)

QTS > Ta Q < 0

Sistema (TS)

Ambiente (Ta)

TS = Ta Q = 0

Sistema (TS)

Ambiente (Ta)

QTS < Ta Q > 0

Quando viene trasferita, l’energia termica

viene chiamata calore (Q).

Q > 0 - energia termica trasferita dal

ambiente al sistema

Q < 0 - energia termica trasferita dal

sistema al ambiente

[Q] = J 1 cal = 4.186 J



Capacità termica:

Q = C ΔT = C (Tf – Ti)

Indica quanto calore deve essere fornito per aumentare di 1 K la

temperatura di un corpo.

[C]SI = J / K

Calore specifico:

Due oggetti dello stesso materiale hanno le capacità termiche

proporzionali alla loro massa => utile definire una capacità

termica per unita di massa = calore specifico.

Q = m c ΔT = m c (Tf – Ti) [c]SI = J / (kg K)

Ci dice quanti J sono necessari per rialzare di 1K la temperatura di

1kg di una sostanza.



Sostanza Calore specifico J / (kg K)

Piombo 128

Ghiaccio 2200

Acqua 4190

Calore latente:

È la quantità di calore per massa unitaria che si deve trasferire

affinché un campione subisca un cambiamento di fase completo.

Q = L m [L]SI = J / kg

Cambiamento fase: liquida => aeriforme (vapore)- campione deve assorbire calore

calore latente di evaporazione; acqua: LV = 2260 kJ / kg

Cambiamento fase: solida => liquida - il campione deve assorbire calore

calore latente di fusione; acqua: LF = 333 kJ / kg



Diagramma di fase:



Cambiamenti di stato

dell’acqua:



Esercizi:

1. Quanto calore occorre per far passare una quantità m = 300 g di

ghiaccio con temperatura iniziale -10 °C allo stato liquido alla

temperatura di 20 °C ? ( Lf = 333 kJ / kg, cgh = 2090 J/kgK, cH20 = 4180

J/kgK)



Esercizi:

2. In un contenitore si trova una massa 1.5 kg di ghiaccio a 0 ˚C.

Determinare quanta acqua a temperatura iniziale 20 °C deve essere

aggiunta sapendo che, all’equilibrio termico, la massa del ghiaccio

rimasto rappresenta 1/3 della massa iniziale di ghiaccio. (Lf = 333

kJ/kg, cH20 = 4180 J/kgK)



Esercizi:

3. Sia data una pentola (di capacità termica trascurabile) con 5 litri di

acqua posta su un fornello che fornisce 250 calorie/sec. Se la

pentola assorbe il 75% del calore prodotto dal fornello, calcolare di

quanto è variata la temperatura dell'acqua dopo 5 min.



Spazio tra i binari dei treni

- per far si che la dilatazione indotta dalle temperature estive

possa avvenire lungo l'asse del binario stesso



Dilatazione termica di solidi e liquidi:

temperatura aumenta – corpi si dilatano; es.: binario dei treni –

spazio tra di loro

)1(000 TLLTLLLL

Dilatazione lineare: sbarra

TLL 0

più e lunga, più si dilata coefficiente di

dilatazione linearees: αFe = 12·10-6 K-1



Dilatazione superficiale:

TSS

TLTTL

TLTLLS

2

)21()21(

)1())1((

0

2

0

222

0

22

0

2

0

2

Dilatazione volumica:

TVTVV

TLTTTL

TLTLLV

00

3

0

33223

0

33

0

3

0

3

3

)31()331(

)1())1((

β – coefficiente di

dilatazione volumica



Esercizio:

Un cilindro di ferro è riempito fino all’orlo con acqua a 25 gradi

Celsius. Se l’acqua e il cilindro sono riscaldati fino alla temperatura

di 75 gradi Celsius, quale percentuale di acqua fuoriesce dal

cilindro?

Si conoscono: βacqua = 207·10-6 K-1 e βFe = 36·10-6 K-1



La propagazione del calore:

3 meccanismi:

conduzione

convezione

irraggiamento

La conduzione termica: - corpi a contatto (solidi, liquidi)

Centrale

nucleare

acqua fredda

acqua calda



d

TSk

t

Q

Legge di Fourier:

calore scambiato

per unità di tempo

(potenza scambiata)

conducibilità

termica

S – superficie

d – spessore

∆T – variazione di

temperatura

k grande - buon conduttore di calore k piccolo - isolanti

Es: Conducibilità

termiche a 20°C:

Materiale k (W m-1 K-1)

legno 0.13

acciaio 46

rame 401



La convezione termica: - fluidi

Aumentando di temperatura, il

fluido a contatto con il fonte di

calore si espande e diminuisce

di densità, generando moti

convettivi in cui il fluido caldo

sale verso l'alto e quello freddo

scende verso il basso.

Brezza di mare:

- durante il giorno dal mare

verso la costa

- durante la notte dalla costa

verso il mare



L’irraggiamento:

- al contrario della conduzione e della convezione, non prevede contatto

diretto tra gli scambiatori, e non necessita di un mezzo per propagarsi;

- la trasmissione di energia avviene attraverso l'emissione e l'assorbimento

di radiazione elettromagnetica.

L’effetto serra è un effetto naturale che rende possibile la vita sul

nostro pianeta: senza la presenza dell’atmosfera la radiazione solare

incidente sulla Terra verrebbe quasi interamente rimandata verso

l’esterno e la temperatura superficiale sarebbe 35 °C in meno

rispetto a quella che realmente abbiamo.



Certi gas chiamati gas serra - il biossido di carbonio o anidride carbonica

(CO2), il metano (CH4), il protossido di azoto (N2O) – sono trasparenti alla

radiazione solare, che quindi li attraversa senza essere assorbita, ma non a

quella emessa dalla Terra – risulta “l’effetto serra”.

Un aumento della concentrazione dei gas serra

provoca un aumento della radiazione restituita

dall’atmosfera alla superficie terrestre. Risulta un

aumento della temperatura media del pianeta.

Dal 1750 ad oggi:

- L’anidride carbonica (CO2) è aumentata del 31% e

continua a salire dello 0.4% per anno

- Il metano (CH4) è cresciuto del 151%

- Il protossido di azoto (N2O) è cresciuto del 17%



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