Termodinamica 119 aprile 2011

Temperatura, termometro

Principio zero della termodinamica

Scala termometrica Celsius

Termometro a gas

Esigenza di una scala termometrica assoluta

Dilatazione termica

Temperatura

• Il concetto di temperatura deriva da un raffinamento quantitativo della sensazione di caldo e di freddo della nostra pelle

• L’uso della sensazione calorica è però troppo grossolano e soggettivo per misurare la temperatura

• Occorre dunque stabilire criteri più obiettivi

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Temperatura • L’esperienza indica che, usualmente, i corpi

aumentano le loro dimensioni quando, mantenendo costante la pressione, vengono riscaldati

• Viene spontanea l’idea di misurare la temperatura servendosi delle corrispondenti variazioni di volume di un fluido

• Su questo principio sono stati costruiti, storicamente, i primi termometri

• Termometro: è costituito da un bulbo pieno di liquido e da un capillare in cui il liquido può espandersi

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Uguaglianza di temperatura

• Possiamo ora definire l’uguaglianza tra due temperature

• Due corpi hanno uguale temperatura quando lo stesso termometro indica un ugual livello nel capillare per i due corpi

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Temperatura e cambiamenti di stato

• Si constata sperimentalmente che durante i cambiamenti di stato (tra solido e liquido e tra liquido e vapore) la temperatura rimane costante

• Questo può essere provato anche con un termometro primitivo come quello che abbiamo descritto: basta constatare che la colonnina di liquido nel capillare non si sposta durante il processo

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Equilibrio termico

• Si constata sperimentalmente che – se due corpi con temperatura diversa sono

messi a contatto, tendono a raggiungere una temperatura comune, ovvero l’equilibrio termico

– se due corpi con la stessa temperatura sono messi a contatto, mantengono la stessa temperatura, ovvero rimangono in equilibrio termico

• La temperatura è quindi quella grandezza fisica che caratterizza l’equilibrio termico

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Principio zero • Dalle esperienze sull’equilibrio termico si

induce il seguente principio: due sistemi, ognuno in equilibrio termico con un terzo sistema, sono in equilibrio termico fra loro

• Questa proprietà transitiva viene assunta valida in generale ed elevata a principio zero della termodinamica

• Questo principio è molto importante perché giustifica l’uso del termometro come sistema di confronto della temperatura fra diversi sistemi termici

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Temperatura

• Per definire la misura della temperatura è necessario introdurre una operazione metrica

• Partiamo dal fatto che il volume del fluido termometrico dipende dalla temperatura

• Per piccole variazioni di temperatura possiamo porre con buona approssimazione:

• Con

V V t

V V0 K t t0

K Vt

tt0 8

Temperatura

• Ponendo

• Possiamo esprimere l’equazione come segue:

• O anche così:

• Questo significa che la misura di V-V0, espressa dalle gradazioni della colonna termometrica, ci dà una misura della temperatura

• Un termometro così costruito è un termometro empirico

K

V01

V0

Vt

tt0

V V0 1 t t0

V V0 V0 t t0

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Scala termometrica Celsius

• Rimane da definire il valore di • Per questo si scelgono due temperature che

l’esperienza mostra costanti, come le temperature corrispondenti a cambiamenti di stato dell’acqua distillata

• Si immerge il termometro in ghiaccio fondente e si segna il livello raggiunto dal fluido termometrico nel capillare: questo è il punto 0°

• Si immerge il termometro in acqua bollente e si segna il nuovo livello: questo è il punto 100°

• L’intervallo tra i punti fissi 100° e 0° viene diviso sulla colonna termometrica in 100 parti uguali

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Scala termometrica Celsius

• Si ha così un termometro tarato in gradi Celsius• Il parametro risulta:

• Ricordiamo che dipende dalla sostanza termometrica, quindi

V100 V0V0

1

t100 t0V100 V0V0

1

100

mercurio alcool gas ...

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Altre scale termometriche

• Scala Réaumur

• Scala Fahrenheit

t F 180100

t C 32

t R 80100

t C

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Termometro

• Sulla base del principio zero è possibile misurare la temperatura utilizzando un sistema campione, il termometro

• In generale, un termometro è un opportuno sistema che presenta variazioni particolarmente rilevanti di una sua proprietà fisica, con la temperatura:– pressione, volume, resistenza elettrica, …

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Come realizzare un termometro • Scegliendo una particolare sostanza

termometrica (mercurio, alcool, gas, …)• Scegliendo una caratteristica termometrica, cioè

una grandezza fisica che dipenda dalla temperatura (volume, pressione, resistenza, …)

• Imponendo una relazione funzionale tra questa proprietà e la temperatura. Generalmente si sceglie la più semplice, ovvero quella lineare (t=aX+b, oppure t=aX)

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Confronto tra termometri

• Se si costruiscono termometri con sostanze diverse o basati su caratteristiche termometriche diverse:– le indicazioni relative a 0° e a 100° devono

coincidere per costruzione– le indicazioni relative ad altre temperature in

generale differiscono da termometro a termometro

• Emerge il bisogno di una scala termometrica assoluta, indipendente dalla sostanza termometrica usata

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tipo di termometro Ebol.N2

Ebol. O2

Punto triplo

Ebol.H2O

a H2, V=cost. -200 -187 0 101

a resistenza Pt -218 -203 0 107

Temperatura empirica (in °C) ditermometri con un solo punto fisso(punto triplo dell’acqua)

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Dilatazione termica lineare• Detto come misurare la temperatura, possiamo

descrivere le leggi della dilatazione dei corpi• Consideriamo un corpo solido a forma di

sbarra, all’aumentare della temperatura e mantenendo la pressione costante, si produce un allungamento proporzionale all’aumento di temperatura:

• Ove l’indice 0 si riferisce convenzionalmente alla temperatura di 0° e è il coefficiente di dilatazione lineare

l t l0 1 t

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Coefficienti di dilatazione lineare

x 10-6 /°C

l t l0l0

1

tpiombo 28.9

alluminio 23.7

rame 16.2

ferro 12.3

platino 9.0

vetro 1.8-9.0

diamante 1.3

quarzo 0.618

Dilatazione termica volumica

• Per i corpi solidi isotropi a forma di parallelepipedo, la legge di dilatazione (a pressione costante) si trova notando che ciascuna dimensione aumenta secondo la legge lineare

• Il volume è dato dal prodotto dei tre binomi, in cui i termini in t di grado maggiore di 1 sono trascurabili, ne segue

• con =3, coefficiente di dilatazione volumica

V t V0 1t

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Dilatazione termica volumica• Per i fluidi (liquidi e

gas) vale la stessa legge dei solidi isotropi

• Dilatazione a pressione costante

• Per i liquidi i coefficienti sono molto più grandi di quelli dei solidi

• L’acqua presenta un’anomalia per cui il coefficiente di dilatazione è negativo tra 0° e 4°

x 10-3 /°C

alcool 1.00

acetone 1.43

glicerina 0.50

etere 1.62

acqua 0.18

mercurio 0.18

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Dilatazione termica dell’acqua

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Dilatazione termica

• Tutte le formule di dilatazione date finora valgono entro intervalli di temperatura non troppo vasti

• Per calcoli precisi occorre usare formule contenenti potenze più elevate di t

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