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TEMPERATURA
Il corpo umano percepisce le variazioni di temperatura con le sensazioni di caldo e freddo
Molte grandezze fisiche variano al variare della temperatura
volume dei corpi
pressione di un gas
viscosità di un liquido
resistenza elettrica
È possibile usare una di queste grandezze fisiche per definire e misurare la temperatura
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MISURA DELLA TEMPERATURA
Per la misura della temperatura si usa il termometro: un bulbo riempito di mercurio che può espandersi in un capillare di vetro
37
38
36
39
40
41C
Al variare della temperatura del bulbo il mercurio di espande nel capillare e le sue variazioni di lunghezza sono tradotte in misura della temperatura
La temperatura del corpo umano si misura con i termometri "a massima"
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SCALE TERMOMETRICHE
Celsi
us
Fare
nhei
t
F C 100
37
0
212
96
32
PUNTI FISSI CELSIUS FARENHEITghiaccio fondente 0oC 32oF
acqua bollente 100oC 212oF
FF
CFC
18032
100
cambiamenti di scala
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DILATAZIONE TERMICA
Quasi tutti i corpi si dilatano quando la temperatura aumenta )1(0 VV
è il coefficiente di dilatazione termica
1.000
0.999
0.998
0.997
cm3
V0 V0
1.000
0.999
0.998
0.997
g/cm
3
cm3
V0 V0
T (°C)0 4
L’acqua ha un comportamento anomalo:
Il suo volume decresce con l’aumentare della temperatura fino a 4 C e poi aumenta all’aumentare della temperatura
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LEGGI DEI GAS PERFETTI
Isoterma = cost pV = cost
Isobara p = cost V = Vo(1+)
Isocora V = cost p = po(1+)
C2731
Per tutti i gas reali risulta approssimativamente
Si chiama gas perfetto o gas idealegas ideale, quel gas che obbedisce incondizionatamente alle precedenti leggi.
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EQUAZIONE DI STATOn : numero di moli
R: costante universale
T: temperatura assolutapV= nRT
T= c+273.2oC e si misura in gradi kelvin (K)
Kmoljoule
Kmolcal
KmolatmlitriR
31.898.1082.0
mole: quantità in grammi pari alla massa molecolare
NA (numero di Avogadro): numero di molecole contenute in 1 mole (6.021023)
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CALORE
Si chiama energia interna la somma delle energie, cinetica (moto di agitazione molecolare) e potenziale (forze di legame intermolecolare), possedute dagli atomi e dalle molecole che costituiscono un corpo.
All’interno di un solido, liquido, gas, le molecole sono in un continuo moto di agitazione completamente disordinato.
La temperatura è la misura dell’energia cinetica media delle molecole.
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CALOREÈ stato osservato che ad ogni diminuzione di energia meccanica, si verifica un riscaldamento, cioè la produzione di calore.
Si chiama calore l’energia assorbita o ceduta da un corpo a livello molecolare, cioè l’energia direttamente assorbita o ceduta dalle molecole del corpo.
Il calore scambiato da un corpo può produrre:1) una variazione di temperatura (variazione dell’energia molecolare);2) una variazione dello stato di aggregazione del corpo (modificazione dei legami molecolari, cioè dell’energia chimica).
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CALOREkilocaloria (kcal) o grande caloria (Cal): quantità di calore necessaria per portare da 14.5 C a 15.5 C la temperatura della massa di 1 kg di acqua distillata.
caloria o piccola caloria (cal): quantità di calore necessaria per portare da 14.5 C a 15.5 C la temperatura della massa di 1 g di acqua distillata.
1 kcal = 1 Cal = 1000 cal Il calore è una forma di energia e nel S.I. si misura in joule (J). Molti esperimenti hanno determinato l’equivalente meccanico della caloria
1 kcal = 4180 joule1 cal = 4.18 joule
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CALORESe lo scambio di calore non modifica lo stato di aggregazione di un corpo, il calore scambiato è
Q = C (f - i) Q > 0 calore assorbitoQ < 0 calore ceduto
C = capacità termica Se il corpo è omogeneo C=mcs
cs è il calore specifico e la sua unità di misura è
Ckgjoule
Cgcal
Ckgkcal
418011
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CALOREQuando due corpi a diversa temperatura sono posti in contatto termico, si ha passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo fino a quando essi assumono la stessa temperatura (equilibrio termico).
m1 c1 ( - 1) + m2 c2 ( - 2) = 0
Temperatura di equilibrio
2211
222111
cmcmcmcm
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CAMBIAMENTI DI STATOIl cambiamento di stato avviene ad una definita temperatura che dipende dalla sostanza e dalla pressione esterna
Il cambiamento di stato avviene isotermicamente ed è accompagnato da uno scambio di calore, legato alle variazioni dell’energia chimica di legame
SOLIDO LIQUIDO VAPORE
fusione
solidificazione
ebollizione
condensazione
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CAMBIAMENTI DI STATOSi definisce calore latente L la quantità di calore necessaria per far compiere isotermicamente all’unità di massa della sostanza un passaggio di stato
Calore necessario per il passaggio di stato di una massa m di quella sostanza LmQ
Per il passaggio di stato ghiaccio-acqua alla pressione atmosferica g
cal kg
kcal L 8080
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CAMBIAMENTI DI STATOCambiamenti di stato che avvengono a tutte le temperature ed i rispettivi calori latenti dipendono dalla temperatura
SOLIDO
LIQUIDO
sublimazione
evaporazione
VAPORE
L’evaporazione avviene sino a quando l’ambiente non raggiunge la saturazione, cioè non può contenere altre molecole di quel liquido (vapore saturo)
La pressione o tensione di vapore saturo è caratteristica della sostanza ed è funzione crescente della temperatura
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CAMBIAMENTI DI STATOTemperatura di un campione di acqua in funzione del tempo quando viene somministrato un flusso costante di calore a pressione costante (1 atm).
Tem
pera
tura
(C)
Tempo
0
-25
255075
100125
p=1 atm
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PROPAGAZIONE DEL CALORE
Il calore si propaga per conduzione (nei solidi senza movimento di materia) convezione (nei fluidi con movimento di materia) irraggiamento (per onde elettromagnetiche)
La temperatura della pelle varia da punto a punto e sensibili variazioni di temperatura hanno luogo quando esiste qualche anomalia circolatoria o cellulare.Su questo principio si basa la termografia, in grado di rivelare variazioni di 0.1 C.
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TERMOREGOLAZIONELa sorgente del calore corporeo è il metabolismo degli alimenti.
Un uomo di 70 kg in condizioni di riposo produce circa 70 kcal/h; durante un esercizio fisico la produzione di calore può essere anche 20 volte maggiore
La temperatura del corpo è rilevata da alcuni neuroni dell’ipotalamo, che sono sensibili alla temperatura del sangue circostante ed attivano alcuni meccanismi per mantenere affinché la temperatura rimanga costantemente uguale a 37 °C.
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TERMOREGOLAZIONEI meccanismi di termoregolazione possono favorire la cessione del calore (vasodilatazione, sudorazione, ...), ridurla (vasocostrizione) o produrre calore (brivido, ...).
L’equilibrio si raggiunge quando: Hm= Hc+Hi+Ht+He
Hm: calore prodotto dal metabolismo
Hc: calore dissipato per convezioneHi: calore dissipato per irraggiamentoHt: calore dissipato per traspirazione del sudoreHe: calore dissipato per evaporazione polmonare
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LAVORO DI UN GAS
Espansione di un gas a pressione costante
A1
B1
p
V
A B
VA VB
Il lavoro è una forma di trasferimento d’energia fra sistema ed ambiente esterno diversa dal calore.
VphpShFL
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PRIMO PRINCIPIO TERMODINAMICAPoiché il calore ed il lavoro sono due “modi di trasferimento dell’energia”, quando in un sistema termodinamico entra energia sotto forma di calore Q ed esce energia sotto forma di lavoro L, la loro differenza viene immagazzinata dal sistema sotto forma di energia interna U.
Q LUi Uf
U = Uf - Ui = Q - L
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SECONDO PRINCIPIO TERMODINAMICA
I fenomeni naturali presentano un verso privilegiato di evoluzione, quando avvengono spontaneamente:1) Il lavoro si trasforma in calore;2) Il calore passa spontaneamente da un corpo più freddo ad un corpo più caldo.
È possibile rovesciare il verso naturale di questi fenomeni
È possibile trasformare una parte del calore prelevato ad una sorgente in lavoro, ma occorre cedere il rimanente ad un’altra sorgente ad una temperatura più bassa.
È possibile trasferire del calore da un corpo “freddo” ad un corpo “caldo”, impiegando un certo lavoro.
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SECONDO PRINCIPIO TERMODINAMICA
Calore e lavoro, pur essendo due diverse forme di energia, non sono del tutto equivalenti:Il lavoro è una forma di energia ordinata (più pregiata), mentre il calore è una forma di energia disordinata (meno pregiata).
Formulazione di Kelvin: “È impossibile realizzare una macchina che, lavorando in ciclo, trasformi interamente in lavoro il calore prelevato ad una sorgente.”
Formulazione di Clausius: “È impossibile che il calore passi da un corpo più freddo ad uno più caldo senza una adeguata spesa di lavoro.”
Si dimostra che le due formulazioni sono equivalenti.
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METABOLISMO DEL CORPO UMANO
L’energia utilizzata dall’organismo umano, per il suo funzionamento e per compiere una certa attività, è fornita dagli alimenti.
Ad esempio:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 666 kcal
alla pressione di 1 atm occorrono 134.4 litri di ossigeno per liberare 666 kcal.
Contenuto energetico del glucosio:
gkcal
gkcal 7.3
180666
Valore calorico dell’ossigeno:
litrokcal
litrikcal 5
4.134666
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METABOLISMO DEL CORPO UMANO
Misurando il consumo d’ossigeno è possibile calcolare la variazione di energia interna all’interno dell’organismo.
Metabolismo basale: consumo di energia per kg di peso corporeo e per secondo in condizioni di riposo. In media i valori sono:
kgW2.1 per le donne
kgW1.1per gli uomini
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METABOLISMO DEL CORPO UMANO
Valori approssimati delle potenze metaboliche per unità di massa relative ad un uomo di 20 anni durante lo svolgimento di varie attività in W/kg
Dormire 1.1
Giacere sveglio 1.2
Sedere eretto 1.5
Stare in piedi 2.6
Camminare 4.3
Rabbrividire 7.6
Pedalare 7.6
Spalare 9.2
Nuotare 11.0
Spostare mobili 11.0
Sciare 15.0
Correre 18.0
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METABOLISMO DEL CORPO UMANO
Il calore prodotto viene solo in parte trasformato in lavoro. Il resto viene eliminato tramite i meccanismi di termoregolazione
Efficienza con cui l’organismo utilizza l’energia chimica degli alimenti per compiere lavoro
tU
tU
tL
efficienzab
Spalare 3%
Sollevare pesi 9%
Salire una scala 23%
Pedalare 25%
Camminare in salita 30%