S.Moretto Ottobre 08 Lezione V: Fenomeni Termici Corso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale...
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S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.1
Fenomeni Termici
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.2
Riassunto Lezione Precedente
• Principi di Inerzia• Concetto di Forza• Concetto di massa inerziale• Forza Gravitazionale• Lavoro• Energia: Energia cinetica e potenziale• Conservazione dell’energia meccanica
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.3
I FENOMENI TERMICI
TemperaturaCalorePropagazione del caloreTermoregolazione del corpo
umanoMetabolismo
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.4
Temperatura e Gas (I)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.5
Temperatura e Gas (II)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.6
Temperatura e Gas (III)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.7
Temperatura e Gas (IV)
Queste grandezze sono sufficienti per descrivere corpi isolati; esse devono però essere completate da altre quando i corpi vengono a contatto tra loro o
quando, per esempio, vengono colpiti da radiazioni
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.8
Temperatura
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.9
Temperatura (II)
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.10
Espansione Termica
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.11
Misura della Temperatura
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.12
Scale termometriche
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.13
Acqua
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.14
Calore
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.15
Calore (II)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.16
Calore Specifico
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.17
Calore: Unità di misura
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.18
Equivalente meccanico della caloria
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.19
Caloria: Riassunto
Unità di misura pratica : caloria (cal)
1 caloria = quantita’ di calore necessaria
per aumentare di 1oC la temperatura di 1 g di acqua
Se Q si esprime in cal:
L = J Q
equivalente termico del
lavoroequivalente meccanico
della caloriaJ = LQ
= 4.18 joule/cal
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.20
Calore
Differenza di Temperatura
finale ed iniziale
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.21
Calore specifico
Q = c m (t2 – t1) = c m t
calore specifico
Il calore specifico dipende dal tipo di sostanza:per l’acqua e’ c = 1 cal/(goC)
capacità termica
c = Qm (t2 – t1)
[cal /(goC)]
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.22
Equilibrio Termico
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.23
Propagazione del calore
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.24
Propagazione del calore
caratteristico dei fuidi
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.25
Irraggiamento termico
Ogni corpo emette radiazione termica ( onde elettromagnetiche)dipendente dalla sua temperatura assoluta T
intensità = quantità di radiazione tempo • superficie
I = Q/(t•S)
W/m2
Leggi dell’emissione termica:
I T4 (temperatura assoluta)lunghezza d’onda massima l 1/T
Radiazione emessa dal corpo umano con febbre a 40o (rispetto a 37o):I40/I37 = T4
40(T437) = [(273+40)/(273+37)]4 = (313/310)4 = 1.0393
(3.93 % in più)
Es.
Anche un corpo“freddo” emette
radiazione termica!
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.26
Termoregolazione
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.27
Termoregolazione (II)
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.28
Termoregolazione del corpo umano
Modalita’ di trasmissione del calore nel corpo umano:
CONDUZIONE interno: contatto tra organi esterno: contatto tra cute earia o vestiti
CONVEZIONE interno: diffusione omogenea delcalore tramite liquidi biologici(sangue e linfa)
IRRAGGIAMENTOesterno: emissione termica
EVAPORAZIONE esterno: sudorazione e evaporazione
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.29
Temperatura e umidita’
Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalladifferenza tra la temperatura corporea e quella ambiente.
L’evaporazione dipende dal tasso di umidita’ relativa:rapporto tra le pressioni di vapor acqueo di vapor saturo.
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 e’ troppo umido.
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.30
Metabolismo del corpo umano
Corpo umano “macchina” a energia interna (chimica)
t 37oC t 0 U 0
Aumento di energia (Q>0): reazioni chimiche esotermiche(ossidazione carboidrati, grassi, proteine)
Diminuzione di energia (Q<0):emissione di calore nell’ambientelavoro esterno (attivita’ vitali)lavoro interno (attivita’ vitali)
I due effettisi devonobilanciare
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.31
Metabolismo del Corpo Umano
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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.32
Metabolismo del Corpo Umano (II)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.33
Metabolismo del Corpo Umano (III)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.34
Metabolismo del Corpo Umano (IV)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.35
Termodinamica
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.36
Termodinamica
Termodinamica: ConcettiGas PerfettoPrima Legge Termodinamica
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.37
Termodinamica
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.38
Trasformazioni termodinamiche
E’ impossibile “seguire” il moto di agitazione termica di un gran numero di particelle (~NA=6.022•1023)
descrizione fenomenologica descrizione statisticaSISTEMA 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’esternoTRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE:variazione dei parametri termodinamici di un sistema pressione pressione costante isobara volume volume costante isocora temperatura temperatura costante isoterma
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.39
Gas Perfetto
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.40
Gas perfetti
Un gas e’ 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 e’ 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.
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.41
Macro e Micro
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.42
Condizioni iniziali dei gas perfetti
Legge di Avogadro:
in qualunque gas perfetto
a NTP = condizioni normali di temperatura e
pressione (p = 1 atm, t = 0°C)
una mole di gas (n=1 N = N0 = 6.022•1023
molecole)
occupa sempre un volume V0 = 22.414 litri.
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.43
Equazione di Stato
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.44
Costante dei gas perfetti
Per n = 1 mole:
pV =T T0
p0V0 pV = TT0
p0V0
R = costante dei gas perfettipoVo
To
R = = 1 atm•22.4 l
273°K•mole=
°K•mole
0.082 l•atm=
=105 Pa • 22.4•10–3 m3
273°K•mole=
8.325 J
°K•mole
pV = nRT
Finalmente equazione di stato:
n. moli,non molecole!
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.45
Legge dei Gas Perfetti
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.46
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+t)
3) 2a legge di Gay-Lussac:a V cost., pt = p0(1+t)
con = = 1273°
4) legge di Avogadro:
per due gas diversi, a p1=p2, V1=V2, t1=t2, risulta N1=N2
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.47
Zero Assoluto
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.48
Macro e Micro
VELOCITA’
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.49
Energia Interna
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.50
Primo Principio della Termodinamica
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.51
Primo Principio della Termodinamica
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.52
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 = U + L
Quantità di calorein joule
(J=4.18 joule/cal)
Q>0 calore fornitoQ<0 calore sottratto
Variazione dienergia internaU>0 aumento
U<0 diminuzionedi temperatura
Lavoro compiutoL>0 dal sistema
(espansione)L<0 sul sistema
(compressione)
S.MorettoOttobre 08
Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.53
Gas reali
Un gas reale puo’ condensare e solidificare.
Parametro importante: Tc = temperatura criticaPer T > Tc il gas non può in alcun modo passare alla fase liquida,
a causa dell’agitazione termica.
Un gas e’ reale se non e’ perfetto: ha molecole non puntiformi non e’ trascurabile il volume proprio delle molecole le molecole subiscono anche urti non elastici dopo l’urto le particelle possono non rimanere sempre
le stesse
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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.54
Ma i gas reali sono perfetti?
N2 – 147.1 O2 – 118.8 CO2 +31.3 H2O +374.1
Tc (oC)
azotoossigenoanidride carbonicaacqua
a 37 oC:
perfetto perfetto ??? reale
Un gas reale si puo’ approssimare con un gas perfetto quando : a) e’ a temperatura >> Tc
b) e’ lontano dalle condizioni di condensazione (basse pressioni e grandi volumi)
Gas fisiologici e di impiego medico: