Post on 15-Feb-2019
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Calore e Temperatura
• 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
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Flusso di Calore
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Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperatura
Flusso di Calore - 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.
Calore Scambiato
• 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
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Energia, Lavoro e Calore
• 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.
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Calore e Lavoro
• Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l’uno nell’altro
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n Dopo aver variato l’Energia di un sistema, questo non “ricorda” se è stato eseguito del lavoro o se è stato scambiato del calore
L’Esperimento di Joule
• Joules provò l’equivalenza tra calore e lavoro meccanico
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Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un aumento della temperatura dell’acqua
n Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro
Lavoro: Energia in Transito
• Simbolo: w
• Il Lavoro è energia ‘ordinata’ che puo’ essere utilizzata per sollevare un peso nell’Ambiente
• Non può essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro.
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Energia per giungere all’Equilibrio
• Simbolo: q
• Il Calore è energia ‘disordinata’ che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico.
• NON può essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato.
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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 è fatto sul sistema – > 0 se è fatto dal sistema
• Calore – > 0 se è assorbito dal sistema – < 0 se è emesso dal sistema
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Calore e Lavoro non si Conservano
• 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.
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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 una ΔU = 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
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Prima Legge della Termodinamica
• Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni di stato, sperimentalmente si osserva che la loro somma è la variazione di una funzione di stato chiamata Energia Interna
ΔU = q-W
ΔU = q - W
• 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 ΔU = 0: l’energia
si conserva
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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 ΔU = q - W in forma differenziale diventa
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dU = dq - dW
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)
n L’equazione di stato che lega p, V e T non fornisce alcuna informazione su U, che deve quindi essere ricavata separatamente.
n Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di U diverso
U per un Gas Ideale Monoatomico
• Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale monoatomico
nRTUTU23)0()( +=
n Lo Zero delle energie è imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, poichè interessano solo le variazioni di Energia
n Dipende SOLO da T, non da V o p
Unità 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
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1 4186 4,186Cal J kJ= =
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= −
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
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 Per cambiare lo stato di un corpo occorre dargli energia Lf = calore latente (di fusione, etc..)
Q = LfM
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 Tεσ= 8 2 45,670 10 Wm Kσ − − −= ×
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!
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
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
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 Tεσ=8 2 45,670 10 Wm Kσ − − −= ×
1ε ≤1ε =
Equilibrio Termico
• Consideriamo due sistemi isolati. Questi avranno in generale dei valori diversi di p,V e T.
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A p1,V1,T1
B p2,V2,T2
Parete adiabatica
A p1,V1,T
B p2,V2,T
n Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono l’equilibrio termico, e la loro temperatura è identica.
Parete conduttrice
Equilibrio Termico
• Consideriamo ora due sistemi, A e B, separati da una parete adiabatica, ma ciascuno in contatto termico con C
A B
C A B
C
l A e B raggiungono l’equilibrio termico con C
l Mettiamo ora A e B in contatto…
n non vi sono ulteriori cambiamenti: A e B sono gia’ in equilibrio
Principio Zero della Termodinamica
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ASSIOMA: due sistemi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro.
n Il principio zero della termodinamica è stato enunciato dopo il primo e secondo principio. Ci si è resi conto della sua necessità quando si è iniziato a costruire l’edificio della Termodinamica in modo logico.
n Il Termometro funziona grazie a questo principio
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 che lo caratterizzano rimangono costanti nel tempo
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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