Termodinamica (1/3) Temperatura e...
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Fisica 2019/2020 Lezione 12 11/11/2019 1 Termodinamica (1/3) Temperatura e calore Lezione 12, 11/11/2019, JW 15.1-15.6 1 1 1. Calore Definizione di calore Il calore è l’energia trasferita tra oggetti a causa della loro differenza di temperatura. Si dice che due oggetti sono in contatto termico se tra loro può avvenire un passaggio di calore. L'oggetto caldo si raffredda e l'oggetto freddo si riscalda Quando, dopo un certo periodo di contatto termico, il flusso di calore si interrompe diciamo che gli oggetti sono in equilibrio termico. 2
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Termodinamica (1/3)Temperatura e caloreLezione 12, 11/11/2019, JW 15.1-15.6
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1. Calore
Definizione di calore
Il calore è l’energia trasferita tra oggetti a causa della loro differenza di temperatura.
Si dice che due oggetti sono in contatto termicose tra loro può avvenire un passaggio di calore.
L'oggetto caldo si raffredda e l'oggetto freddo si riscalda
Quando, dopo un certo periodo di contatto termico, il flusso di calore si interrompe diciamo che gli oggetti sono in equilibrio termico.
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1. Il principio zero della termodinamica
Il principio zero della termodinamica
Se un oggetto B è in equilibrio termico sia con un oggetto A che con un oggetto C, allora anche gli oggetti A e C, se posti in contatto termico, si trovano in equilibrio termico.
La temperatura è l’unico fattore che determina se due oggetti in contatto termico sono anche in equilibrio termico tra loro.
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2. Scale termometriche
La scala Celsius
L’acqua diventa ghiaccio a 0o Celsius.
L’acqua bolle a 100o Celsius.
La scala Fahrenheit
L’acqua diventa ghiaccio a 32o Fahrenheit.
L’acqua bolle a 212o Fahrenheit.
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2. Scale termometriche
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2. Lo zero assoluto
La pressione di un gas è proporzionale alla sua temperatura.
La costante di proporzionalità cambia da un gas all’altro, ma tutti i gas raggiungono la pressione zero a una stessa temperatura, che chiamiamo zero assoluto.
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2. La scala Kelvin
La scala Kelvin è simile alla scala Celsius; l’unica differenza è che lo zero della scala Kelvin coincide con lo zero assoluto.
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2. Fahrenheit, Celsius, Kelvin
Un confronto tra le trescale termometriche:
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3. La dilatazione termica
La maggior parte delle sostanze si dilata quando è riscaldata.
La variazione della lunghezza è proporzionale alla lunghezza e alla variazione della temperatura.
La costante di proporzionalità è detta coefficiente di dilatazione lineare.
Quanto diminuisce la lunghezza della torre Eiffel (𝐿 = 301m) quando diminuisce lasua temperatura da 22oC a 0oC?
∆𝐿 = 𝛼𝐿,∆𝑇 = 12 . 10/0K/2 301m −22K = −0,079m
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3. La lamina bimetallica
Una lamina bimetallica è formata da due metalli aventi coefficienti di dilatazione lineari differentiQuando viene riscaldata o raffreddata, la lamina tende a incurvarsi.
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3. La dilatazione volumica
La variazione del volume di un solido deriva dalla dilatazione lineare:
Un cubo di lato 𝐿 ha un volume 𝑉 = 𝐿8
Variando la temperatura, 𝐿9 = 𝐿 +𝛼𝐿∆𝑇
𝑉9 = 𝐿′8 = (𝐿 +𝛼𝐿∆𝑇)8= 𝐿8 + 3𝛼𝐿8∆𝑇 +3𝛼>𝐿8∆𝑇> +𝛼8𝐿8∆𝑇8
per 𝛼∆𝑇 ≪ 1, abbiamo ∆𝑉 = 3𝛼𝑉∆𝑇, dunque 𝛽 = 3𝛼
Per i fluidi si definisce soltanto il coefficiente di dilatazione volumica.
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3. Il comportamento dell'acqua
Anche l’acqua si dilata quando è riscaldata, tranne quando è prossima a diventare ghiaccio: tra 4°C e 0°C, infatti, si dilata.
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4. Calore e lavoro meccanicoGli esperimenti hanno dimostrato che il calore è una forma di energia.
Un dispositivo di questo genere fu utilizzato da James Joule per misurare l’equivalente meccanico del calore.
𝐿 = 2𝑚𝑔ℎ
Unità (storica) di calore:
kilocaloria (kcal): la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 kg di acqua da 14,5oC a 15,5oC
Equivalente meccanico: 1 cal = 4,186 J
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5. Capacità termicaLa capacità termica di un oggetto è il rapporto tra la quantità di calore fornita all’oggetto e l’aumento della sua temperatura.
Q è positiva se ΔT è positiva, cioè se viene fornito calore alsistema.
Q è negativa se ΔT è negativa, cioè viene ceduto calore dalsistema.
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5. Calore specifico
La capacità termica di un oggetto dipende dal tipo di sostanza e dalla sua massa: 𝐶 = 𝑚𝑐
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6. Conduzione, convezione e irraggiamento
Tre meccanismi per scambiare calore:Conduzione
contatto diretto tra corpivibrazioni trasmessi da una molecola all'altra
Convezionefluido in contatto con corpo di temperatura diversala circolazione del fluido aumenta il trasporto di calore
Irraggiamentotrasferimento di calore con radiazione elettromagneticaanche senza contatto e senza mezzoesempio: sole
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6. Conduzione di calore
La quantità di calore 𝑄 che fluisceattraverso una sbarra
• aumenta proporzionalmente all’area della sezione della sbarra, 𝐴
• aumenta proporzionalmente alla differenza di temperatura tra le estremità della sbarra, D𝑇 = 𝑇2 −𝑇1
• aumenta in maniera uniforme col passare del tempo 𝑡
• diminuisce con la lunghezza della sbarra 𝐿
La costante 𝑘 è detta conduttività (o conducibilità) termica della sbarra.
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6. Conduzione di calore
Alcuni valori tipici di conduttività termica.
Le sostanze con una conduttività termica elevata sono buoni conduttori di calore; quelle con bassa conduttività termica sono buoni isolanti.
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6. Convezione del calore
La convezione è il trasporto di calore dovuto al movimento di un fluido
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6. Irraggiamento
Tutti i corpi emettono energia per irraggiamento sotto forma di onde elettromagnetiche, anche nel vuoto.
Questo comportamento è riassunto dalla legge di Stefan-Boltzmann per la potenza irraggiata:
𝑃 = 𝑒𝜎𝐴𝑇O
e è l’emittività (0 per bianco, 1 per nero)
𝜎 è la costante di Stefan-Boltzmann: 𝜎 = 5,67×10/SWm/>K/O
Circondato da un ambiente di temperatura 𝑇U, la potenza emessa è 𝑃VWV = 𝑃 = 𝑒𝜎𝐴(𝑇O −𝑇UO)
𝑃 = 𝑒𝜎𝐴𝑇O → 𝑇O = YZ[\ → 𝑇 = ] Y
Z[\ =] ,̂8>.2,_`a
,̂0b.2,cdaec_fc].Og(0,h^.2,de)_ = 6270K
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∆𝐿 = 𝛼𝐿,∆𝑇 → ∆𝑇 =∆𝐿𝛼𝐿,
=3 . 10/8m
29 . 10/0K/210m = 10,3K
𝑐 = ij∆k → ∆𝑇 = i
jl
𝑄 = m_.m_jn
_ → ∆𝑇 =m_.m_jn
_
jl = n_
Ol =8S,e/p _
O.2>Sqrscmfcm = 282K
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