Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 Calore.

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

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Calore


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La Temperatura riflette il movimento casuale delle particelle, ed è quindi correlata all’energia cinetica delle molecole

Il Calore coinvolge un trasferimento di energia tra due oggetti a temperatura differente

Calore e Temperatura


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Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperaturaa quando non raggiungono la stessa temperaturaIl Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperaturaa quando non raggiungono la stessa temperatura

Flusso di Calore


Flusso di Calore ed Equilibrio Termico

Quando un corpo caldo viene messo a contatto con un corpo freddo, del calore fluisce dal corpo caldo verso quello freddo, aumentando la sua energia, sino a raggiungere l’equilibrio termico.


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Un processo si dice Esotermico: se il calore viene emesso

dal sistema verso l’ambiente

Endotermico: se il calore viene assorbito

dal sistema ed emesso dall’ambiente

Calore Scambiato


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Un sistema può scambiare energia con l’ambiente mediante Calore scambiato Lavoro eseguito (dal sistema o dall’ambiente)

Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacita’ di compiere lavoro e quindi aumentiamo la sua energia

Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad esempio comprimendo un gas o tirando una molla.

Energia, Lavoro e Calore


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Calore e Lavoro Joule mostrò come il Lavoro e il

Calore fossero convertibili l’uno nell’altro

Dopo aver variato l’Energia Dopo aver variato l’Energia di un sistema, questo non di un sistema, questo non ““ricordaricorda” se è stato eseguito ” se è stato eseguito del lavoro o se è stato del lavoro o se è stato scambiato del calorescambiato del calore


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L’Esperimento di Joule Joules provò l’equivalenza tra

calore e lavoro meccanico

Il lavoro eseguito per far Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un ruotare le pale, causa un aumento della aumento della temperatura dell’acquatemperatura dell’acqua

Joules mostrò anche che la quantità di calore Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di prodotto era proporzionale alla quantità di lavorolavoro


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Simbolo: w

Il Lavoro e’ energia ‘ordinata’ che puo’ essere utilizzata per sollevare un peso nell’Ambiente

Non puo’ essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro.

Lavoro: Energia in Transito


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Simbolo: q

Il Calore e’ energia ‘disordinata’ che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico.

NON puo’ essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato.

Calore: Energia per giungere all’Equilibrio


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Non si puo’ parlare di Non si puo’ parlare di CaloreCalore ContenutoContenuto in un corpo!! in un corpo!!

Solo di Solo di EnergiaEnergia contenuta contenuta

Calore Contenuto???


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Convenzione del Segno Per convenzione, Lavoro e Calore sono

negativi se diminuiscono l’energia del sistema, positivi se l’aumentano

Lavoro > 0 se e’ fatto sul sistema < 0 se e’ fatto dal sistema

Calore > 0 se e’ assorbito dal sistema < 0 se e’ emesso dal sistema


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Conversione: Lavoro in Calore

Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urtoTemperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urto


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Il Lavoro non è una funzione di stato, e dipende dal cammino.

Essendo il Lavoro e il Calore equivalenti in Termodinamica, neanche il Calore è una funzione di stato

Il Calore è una particolare forma di energia e quindi non sorprende che non sia una funzione di stato.

Calore e Lavoro non si Conservano


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Energia Interna Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del

processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano?

L’evidenza sperimentale portava a concludere che ogni corpo potesse immagazzinare l’energia internamente, senza trasformarla in energia cinetica totale del corpo ponendolo in movimento.

La Termodinamica postula l’esistenza di una funzione U chiamata Energia Interna

E’ la somma dell’Energia Cinetica e Potenziale Molecolare (Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale,…)


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Energia Interna

L’energia Interna PUO’ venire immagazzinata Esiste una Ui prima del processo e una Uf

dopo il processo. Esiste quindi un U = Uf - Ui U e’ una funzione di stato U si comporta come una “banca”. Eseguendo

lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo


Prima Legge della Termodinamica

Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni di stato, sperimentalmente si osserva che la loro somma è una variazione di una funzione di stato chiamata Energia Interna

U = q+w


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Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentali Calore e Lavoro sono equivalenti Esiste una funzione di stato chiamata U che

rappresenta l’energia “interna” del sistema Se il sistema è isolato, q = w = 0, per cui U =

0: l’energia si conserva

Notate che non scriviamo q o w

U = q + w


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Corollario

L’Energia L’Energia dell’Universo è dell’Universo è

costantecostante

L’Energia L’Energia dell’Universo è dell’Universo è

costantecostante


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Il Primo Principio in Forma Differenziale

Abbiamo gia’ visto come spesso sia utile considerare dei cambiamenti infinitesimi su un sistema, invece di cambiamenti finiti

Il primo principio U = q + w in forma differenziale diventa

ddU = U = ddq + q + ddww


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Energia Interna L’Energia interna U e’ una funzione

di Stato. La termodinamica ci assicura che DEVE essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamiche

U = U(p,V,T)U = U(p,V,T)

L’equazione di stato che lega L’equazione di stato che lega pp, , VV e e TT non non fornisce alcuna informazione su fornisce alcuna informazione su UU, che , che deve quindi essere ricavata deve quindi essere ricavata separatamente.separatamente.

Due gas possono seguire la legge dei gas Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di ideali, ma avere un comportamento di UU diversodiverso


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U per un Gas Ideale Monoatomico

Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale monoatomico

nRTUTU2

3)0()( nRTUTU

2

3)0()(

Lo Zero delle energie e’ imprecisato, ma Lo Zero delle energie e’ imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, non ha importanza in Termodinamica, poiche’ interessano solo le variazioni di poiche’ interessano solo le variazioni di EnergiaEnergia

Dipende Dipende SOLOSOLO da da TT, non da , non da VV o o pp


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Unita’ di misura Cal: definita come la quantità di calore

che serve per portare 1 kg di acqua da 14,5°C a 15,5°C

Joule (1818-1889) vede che lavoro-energia e calore sono la stessa cosa (circa metà dell’800)

trasforma lavoro in calore e misura i risultati

1 4186 4,186Cal J kJ


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Calori specifici Per alzare la temperatura di un

corpo occorre dargli energia si dà energia alle molecole

Si può usare approssimativamente la relazione empirica

la “costante” c è detta “calore specifico”

fin inQ M c T T


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Trasmissione del calore In sistemi complessi

conduzione da atomo ad atomo fortemente dipendente

dai tipi di struttura atomica:si va da ottimi “conduttori” ad ottimi “isolanti”

nei sistemi fluidi è esaltata dalla convezione

rimescolamento del fluido

Nel vuoto irraggiamento

4I T 8 2 45,670 10 Wm K


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Trasmissione del calore Legge empirica per la trasmissione

per conduzione

TSz


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Conduzione Avviene per interazione fra atomo

ed atomo soprattutto tramite elettroni

mobilissimi e velocissimi quindi un buon conduttore termico è

anche un buon conduttore elettrico!


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Convezione Ristretta ai fluidi Di solito la densità di un fluido

diminuisce con l’aumentare della temperatura

Il fluido si sposta e viene rimpiazzato da altro a temperatura minore

pentole e termosifoni Il meccanismo può divenire molto

efficiente


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Irraggiamento Energia elettromagnetica (onde

elettromagnetiche) irraggiate nello spazio luce, X, onde radio, infrarossi,...

Sole, grill, barbecue Principale meccanismo di

trasmissione dell’energia in tutto l’Universo

Unico possibile nel vuoto


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Irraggiamento La quantità di energia irraggiata è

proporzionale alla IV potenza della temperatura assoluta

è la legge (empirica) di Stefan-Boltzmann il coefficiente è l’emittenza

della superficie Se si ha un corpo nero

4I T 8 2 45,670 10 Wm K

1

1


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Irraggiamento Ecco un esempio


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I cambiamenti di stato Quando energie cinetiche e potenziali

medie sono circa uguali... ad una temperatura ben determinata…

...fornire energia significa aumentare le energie potenziali senza variare le energie cinetiche

si spezzano legami molecolari da solido si passa a liquido, o a vapore

è il cambiamento di stato


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I cambiamenti di stato Se i legami sono regolari (stessa

energia) si ha la fusione è il caso dei cristalli

Se i legami sono casuali (energie diverse) si ha un progressivo rammollimento

è il caso dei vetri


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La termodinamica


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La termodinamica

In termodinamica si prescinde dai dettagli del sistema

Si parte da una serie di principi astratti Si traggono conclusioni di tipo molto

generale Esempi di sistemi termodinamici

una batteria una soluzione chimica …ed anche un gas perfetto


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Lo stato termodinamico


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Definizione di stato Un sistema generico viene descritto

da una serie di parametri globali macroscopici

Se i parametri non variano nel tempo hanno lo stesso valore in tutti i punti

dello spazio saremo in uno

stato termodinamico


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Definizione di stato

Attenzione Raramente ci troviamo in stati

termodinamici ad esempio l’aria in una stanza di

solito non lo è stato termodinamico (approssimato)

umidità del 100% 37°C possibilmente da una settimana


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Definizione di stato In generale i parametri

definiscono uno stato termodinamico sono legati fra loro da un’

equazione di stato


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Definizione di stato Nel caso del gas perfetto Parametri

Equazione di stato

Due parametri indipendenti il terzo lo si deduce dall’equazione di stato

, ,P V T

PV nRT 1 18,31R J mol K


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Equilibrio Termico Consideriamo due sistemi isolati. Questi

avranno in generale dei valori diversi di p,V e T.

Ap1,V1,T1

Bp2,V2,T2

Parete Parete adiabaticaadiabatica

Ap1,V1,T

Bp2,V2,T

Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono l’l’equilibrioequilibrio termicotermico, e la loro temperatura è , e la loro temperatura è identica.identica.

Parete Parete conduttriceconduttrice


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Equilibrio Termico Consideriamo ora due sistemi, A e B, separati

da una parete adiabatica, ma ciascuno in contatto termico con C

A B

CA B

C

A e B raggiungono A e B raggiungono l’equilibrio termico l’equilibrio termico con Ccon C Mettiamo ora A e B in Mettiamo ora A e B in contatto…contatto…

non vi sono ulteriori non vi sono ulteriori cambiamenti: A e B cambiamenti: A e B sono sono gia’gia’ in equilibrio in equilibrio


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Principio Zero della Termodinamica

ASSIOMA: due sistemi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro.ASSIOMA: due sistemi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro.

Il principio zero della termodinamica e’ Il principio zero della termodinamica e’ stato enunciato dopo il primo e secondo stato enunciato dopo il primo e secondo principio.principio.Ci si e’ resi conto della sua necessita’ Ci si e’ resi conto della sua necessita’ quando si e’ iniziato a costruire l’edificio quando si e’ iniziato a costruire l’edificio della Termodinamica in modo logico.della Termodinamica in modo logico.

Il Termometro funziona grazie a questo Il Termometro funziona grazie a questo principioprincipio


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Equilibrio

Equilibrio meccanico: nulla si muove. Forze in equilibrio Equilibrio chimico: composizione costante Equilibrio termico: temperatura costante Equilibrio termodinamico:

termico+chimico+meccanico

Un sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze Un sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze che lo caratterizzano rimangono costanti nel tempoche lo caratterizzano rimangono costanti nel tempoUn sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze Un sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze che lo caratterizzano rimangono costanti nel tempoche lo caratterizzano rimangono costanti nel tempo


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Processo o Trasformazione

Un Processo Termodinamico è un cammino sulla superficie descritta dalla equazione di stato.

Una successione di stati termodinamici.


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Tipi di Trasformazione

Isoterma T = cost. Isobara p = cost. Isocora V = cost. Adiabatica q = 0 Isoentropica S = cost. ...

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