Termologia STATI DELLA MATERIA solido: forma e volume propri solido: forma e volume propri liquido: volume proprio, mentre la forma dipende dal contenitore.

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2 Termologia

3 STATI DELLA MATERIA solido: forma e volume propri solido: forma e volume propri liquido: volume proprio, mentre la forma dipende dal contenitore liquido: volume proprio, mentre la forma dipende dal contenitore gas: occupa completamente il volume disponibile (cioè non ha volume proprio) e la sua forma dipende dal contenitore. gas: occupa completamente il volume disponibile (cioè non ha volume proprio) e la sua forma dipende dal contenitore.

4 Modello a molle per i solidi Le forze fra particelle permettono solo un moto oscillatorio Le forze fra particelle permettono solo un moto oscillatorio Nel modello a molle: Nel modello a molle: Palline = particelle (atomi, ioni o molecole) Palline = particelle (atomi, ioni o molecole) Molle = legami chimici Molle = legami chimici Energia interna = energia di agitazione termica = = E cinetica + U elastica

5 Temperatura e calore Temperatura = indice del grado di agitazione termica di un corpo, legato all’energia interna media delle singole particelle che lo compongono Temperatura = indice del grado di agitazione termica di un corpo, legato all’energia interna media delle singole particelle che lo compongono N.B.: la temperatura non è l’energia interna N.B.: la temperatura non è l’energia interna Mentre la temperatura T è misurabile, l’energia interna U di un corpo non è mai misurabile. Possiamo solo conoscerne le variazioni (sotto forma di energia emessa o assorbita dal corpo). Mentre la temperatura T è misurabile, l’energia interna U di un corpo non è mai misurabile. Possiamo solo conoscerne le variazioni (sotto forma di energia emessa o assorbita dal corpo). Calore = parte di energia interna che viene trasferita in conseguenza di una differenza di temperatura fra due corpi Calore = parte di energia interna che viene trasferita in conseguenza di una differenza di temperatura fra due corpi AB AB

6 Equilibrio termico due oggetti a temperatura diversa dopo un tempo sufficiente raggiungono l'equilibrio termico due oggetti a temperatura diversa dopo un tempo sufficiente raggiungono l'equilibrio termico Due corpi si dicono in equilibrio termico quando lil calore fluisce dall’uno all’altro nei due versi, con uguale velocità (ciò accade se essi hanno la stessa temperatura) Due corpi si dicono in equilibrio termico quando lil calore fluisce dall’uno all’altro nei due versi, con uguale velocità (ciò accade se essi hanno la stessa temperatura) TATA TBTB

7 Scale termometriche 1 Scala Celsius (gradi centigradi) Scala Celsius (gradi centigradi) 0 °C = temperatura del ghiaccio fondente alla pressione di 1 atm 0 °C = temperatura del ghiaccio fondente alla pressione di 1 atm 100 °C = temperatura dei vapori di acqua bollente alla pressione di 1 atm 100 °C = temperatura dei vapori di acqua bollente alla pressione di 1 atm (a pressioni maggiori corrispondono temperature di fusione e di vaporizzazione maggiori) (a pressioni maggiori corrispondono temperature di fusione e di vaporizzazione maggiori)

8 Scale termometriche 2 Scala assoluta (S.I.): (gradi Kelvin) Scala assoluta (S.I.): (gradi Kelvin) 273,16 K = temperatura ghiaccio fondente 273,16 K = temperatura ghiaccio fondente 373,16 K = temperatura vapori di acqua bollente 373,16 K = temperatura vapori di acqua bollente 0 K = -273,16 °C = zero assoluto = la più bassa temperatura raggiungibile = assenza di energia interna per un corpo = morte termica 0 K = -273,16 °C = zero assoluto = la più bassa temperatura raggiungibile = assenza di energia interna per un corpo = morte termica il grado centigrado e il Kelvin hanno stessa ampiezza, ma la scala è traslata il grado centigrado e il Kelvin hanno stessa ampiezza, ma la scala è traslata Relazione fra le due scale: Relazione fra le due scale: T C = T K – 273,16 0273 100373 -2730 CK

9 Scale termometriche 3 Scala Fahrenheit (gradi Fahrenheit) Scala Fahrenheit (gradi Fahrenheit) 32 °F = temperatura del ghiaccio fondente 32 °F = temperatura del ghiaccio fondente 212 °F = temperatura dei vapori di acqua bollente 212 °F = temperatura dei vapori di acqua bollente 180 °F = 100 °C (ampiezza diversa dai centigradi) 180 °F = 100 °C (ampiezza diversa dai centigradi) Formula per passare dalla temperatura C (scala Celsius) alla F (scala Fahrenheit) Formula per passare dalla temperatura C (scala Celsius) alla F (scala Fahrenheit) 032 100212 CF

10 Passaggi di stato Brinazione Volatilizzazione o sublimazione SOLIDOLIQUIDOAERIFORME Solidificazione FusioneVaporizzazione Condensazione

11 Diagramma t-Q Blocco di massa m di ghiaccio in un recipiente Blocco di massa m di ghiaccio in un recipiente Lo mettiamo su una fonte di calore Lo mettiamo su una fonte di calore Il ghiaccio assorbe una quantità Q di calore, proporzionale al tempo di permanenza sulla fonte di calore Il ghiaccio assorbe una quantità Q di calore, proporzionale al tempo di permanenza sulla fonte di calore Un termometro nel recipiente rileva la temperatura t al variare del calore Q fornito Un termometro nel recipiente rileva la temperatura t al variare del calore Q fornito

12 Diagramma t-Q temperatura al variare del calore fornito o sottratto (tempo) temperatura al variare del calore fornito o sottratto (tempo) Soste termiche: il corpo non varia la propria temperatura. Il calore assorbito (calore di fusione Q f e calore di vaporizzazione Q v ) aumenta l’agitazione termica delle molecole e rompe i legami chimici, facendo cambiare stato Soste termiche: il corpo non varia la propria temperatura. Il calore assorbito (calore di fusione Q f e calore di vaporizzazione Q v ) aumenta l’agitazione termica delle molecole e rompe i legami chimici, facendo cambiare stato Solo quando tutto il corpo è passato di stato, la sua temperatura riprende a salire. Solo quando tutto il corpo è passato di stato, la sua temperatura riprende a salire. calore assorbito Q (tempo) Temperatura t sosta termica solido + liquido + aeriforme calore di fusione calore di vaporizzazione N.B.: le temperature alle quali avvengono i passaggi di stato dipendono dalla pressione a cui essi avvengono. Per esempio, l’acqua bolle a temperature inferiori ai 100°C se sottoposta a pressioni inferiori ad 1atm, o superiori a 100°C se sottoposta a grandi pressioni (pentola a pressione). N.B.: le temperature alle quali avvengono i passaggi di stato dipendono dalla pressione a cui essi avvengono. Per esempio, l’acqua bolle a temperature inferiori ai 100°C se sottoposta a pressioni inferiori ad 1atm, o superiori a 100°C se sottoposta a grandi pressioni (pentola a pressione).

13 Soste termiche calore latente di fusione-solidificazione = L f = quantità di calore necessaria per far fondere una massa di 1 kg di una sostanza già alla temperatura di fusione calore latente di fusione-solidificazione = L f = quantità di calore necessaria per far fondere una massa di 1 kg di una sostanza già alla temperatura di fusione per l’acqua: L f =80000 cal/kg per l’acqua: L f =80000 cal/kg Quindi, per far fondere una massa qualunque m di una certa sostanza serve un calore di fusione: Quindi, per far fondere una massa qualunque m di una certa sostanza serve un calore di fusione: Q f = L f. m

14 Unità di misura del calore 1 cal = quantità di calore necessaria ad 1g di acqua per alzare la sua temperatura da 14,5°C a 15,5°C, alla pressione di 1 atm 1 cal = quantità di calore necessaria ad 1g di acqua per alzare la sua temperatura da 14,5°C a 15,5°C, alla pressione di 1 atm La caloria non appartiene al S.I. La caloria non appartiene al S.I. 1 cal = 4,186 J 1 cal = 4,186 J 1Cal = 1Kcal = 4186 J 1Cal = 1Kcal = 4186 J

15 Soste termiche del grafico t-Q calore latente di vaporizzazione-condensazione L v = quantità di calore necessaria per far vaporizzare una massa di 1 kg di una sostanza già alla temperatura di vaporizzazione calore latente di vaporizzazione-condensazione L v = quantità di calore necessaria per far vaporizzare una massa di 1 kg di una sostanza già alla temperatura di vaporizzazione per l’acqua: L v =537000cal/kg per l’acqua: L v =537000cal/kg Quindi, per far vaporizzare una massa qualunque m di una certa sostanza serve un calore di vaporizzazione: Quindi, per far vaporizzare una massa qualunque m di una certa sostanza serve un calore di vaporizzazione: Q v = L v. m

16 Tratti obliqui del grafico t-Q Quando la temperatura del corpo varia, il calore Q scambiato è direttamente proporzionale alla massa del corpo m e alla sua variazione di temperatura Δt Quando la temperatura del corpo varia, il calore Q scambiato è direttamente proporzionale alla massa del corpo m e alla sua variazione di temperatura Δt Q = m. c S. Δt (relazione fondamentale della calorimetria) dove c S = calore specifico = costante di proporzionalità caratteristica del corpo = quantità di calore assorbita o ceduta da m = 1g di sostanza per subire una variazione Δt = 1°C c S = calore specifico = costante di proporzionalità caratteristica del corpo = quantità di calore assorbita o ceduta da m = 1g di sostanza per subire una variazione Δt = 1°C Es: Acqua: c s = 1 cal/(g °C ) Es: Acqua: c s = 1 cal/(g °C )

17 Capacità termica Talvolta il prodotto m. c S. è denominato capacità termica (C T ) = quantità di calore assorbita dal corpo di massa m per subire una variazione Δt = 1°C. Talvolta il prodotto m. c S. è denominato capacità termica (C T ) = quantità di calore assorbita dal corpo di massa m per subire una variazione Δt = 1°C. La relazione fondamentale diviene perciò La relazione fondamentale diviene perciò Q = C T. Δt In pratica la capacità termica è una proprietà complessiva del corpo, che tiene conto sia del tipo di materiale, sia della sua massa In pratica la capacità termica è una proprietà complessiva del corpo, che tiene conto sia del tipo di materiale, sia della sua massa

18 Test 2 kg d’acqua alla temperatura di 80 °C vengono introdotti in un calorimetro contenente 1 kg d’acqua a 20 °C. La temperatura di equilibrio raggiunta dopo un certo tempo nel calorimetro è: 2 kg d’acqua alla temperatura di 80 °C vengono introdotti in un calorimetro contenente 1 kg d’acqua a 20 °C. La temperatura di equilibrio raggiunta dopo un certo tempo nel calorimetro è: A. 30 °C B. 60 °C C. 50 °C D. 33 °C E. Non vi sono dati sufficienti per rispondere Q ceduto + Q assorbito = 0 m 1 c 1  t + m 2 c 2  t’ = 0 2. c acqua  t + 1c acqua  t’ = 0 2.  t +  t’ = 0 2. (t e - 80) + (t e - 20) = 03t e -160 - 20 = 03t e = 180t e = 60 °C

19 Test Per quali delle seguenti ragioni nelle pentole a pressione domestiche il cibo si cuoce prima che nelle pentole tradizionali? Per quali delle seguenti ragioni nelle pentole a pressione domestiche il cibo si cuoce prima che nelle pentole tradizionali? A. L’evaporazione è ridotta B. L’aumento di pressione frantuma le cellule C. Al crescere della pressione aumenta la temperatura di ebollizione e quindi la velocità delle reazioni chimiche D. Al crescere della pressione diminuisce la temperatura di ebollizione e quindi diminuisce la velocità delle reazioni chimiche E. Al crescere della pressione diminuisce la temperatura di ebollizione e quindi questa viene raggiunta prima

20 Test Il calore di fusione del ghiaccio è 80 kcal/kg. Se introduciamo in un thermos 100 g di ghiaccio a 0 gradi centigradi e 100 g di acqua a 80 gradi centigradi, la temperatura di equilibrio del sistema sarà: Il calore di fusione del ghiaccio è 80 kcal/kg. Se introduciamo in un thermos 100 g di ghiaccio a 0 gradi centigradi e 100 g di acqua a 80 gradi centigradi, la temperatura di equilibrio del sistema sarà: A. 50 gradi centigradi B. 20 gradi centigradi C. 30 gradi centigradi D. 0 gradi centigradi E. -20 gradi centigradi Sicuramente l’acqua cede calore al ghiaccio, che inizia a fondere. Il calore posseduto dall’acqua è sufficiente per sciogliere completamente il ghiaccio? Calore per la fusione del ghiaccio:Calore cedibile dall’acqua: Quindi il calore cedibile dall’acqua basta solo per la fusione del ghiaccio, che rimane a 0°C

21 Test Il calore specifico dell’acqua è circa cinque volte quello di un metallo M. Quindi: Il calore specifico dell’acqua è circa cinque volte quello di un metallo M. Quindi: A. Per scaldare di 1°C 1 kg di M occorrono 0,2 kcal B. Per scaldare di 1°C 1 litro d’acqua occorrono 0,2 kcal C. La capacità termica di 5 kg d’acqua uguaglia quella di 1 kg di M D. Il peso specifico di M è cinque volte quello dell’acqua E. La temperatura di fusione di M è cinque volte più alta di quella dell’acqua quantità di calore assorbita o ceduta da 1g di sostanza per subire una variazione Δt = 1°C Calore specifico = quantità di calore assorbita o ceduta da 1g di sostanza per subire una variazione Δt = 1°C Calore specifico del metallo = 1/5 calore specifico acqua Per scaldare di 1°C 1 kg di M occorre 1/5 del calore necessario all’acqua (1 kcal)

22 Test Due corpi di ugual massa, di ugual temperatura, ma caratterizzati da calori specifici molto diversi, vengono messi in contatto. Cosa avviene? Due corpi di ugual massa, di ugual temperatura, ma caratterizzati da calori specifici molto diversi, vengono messi in contatto. Cosa avviene? A. Il calore passa dal corpo di calore specifico minore a quello caratterizzato da calore specifico maggiore B. La temperatura del corpo avente calore specifico maggiore diminuisce mentre aumenta quella dell’altro corpo C. Il calore passa dal corpo di calore specifico maggiore a quello caratterizzato da calore specifico minore D. I due corpi non si scambiano calore E. La temperatura del corpo avente calore specifico maggiore aumenta mentre diminuisce quella dell’altro corpo

23 Test Se il ghiaccio ha calore latente di fusione uguale a 334,8 joule/g, la quantità di calore necessaria a sciogliere 1 kg di ghiaccio è circa: Se il ghiaccio ha calore latente di fusione uguale a 334,8 joule/g, la quantità di calore necessaria a sciogliere 1 kg di ghiaccio è circa: A. 334,8 kcal B. 80 kcal C. 4.186 joule D. 293 kelvin E. 41.860 joule

24 Test Siano E(f) ed E(a) le energie necessarie a riscaldare di un grado centigrado un chilo di ferro e un chilo d’acqua, inizialmente alla stessa temperatura. Si può dire che: Siano E(f) ed E(a) le energie necessarie a riscaldare di un grado centigrado un chilo di ferro e un chilo d’acqua, inizialmente alla stessa temperatura. Si può dire che: A. E(f) > E(a) perché il ferro ha una densità maggiore B. E(f) < E(a) perché il ferro ha un calore specifico più basso C. E(f) = E(a) perché la temperatura finale è la stessa D. E(f) = E(a) perché la massa è la stessa E. Nessuna delle precedenti risposte è corretta E = Q = m. c s. Δt

25 PROPAGAZIONE DEL CALORE Avviene in 3 modi: Conduzione Conduzione Convezione Convezione Irraggiamento Irraggiamento

26 Conduzione del calore Il calore fornito ad un corpo solido fa aumentare l’energia cinetica delle molecole a immediato contatto con la sorgente di calore. Il calore fornito ad un corpo solido fa aumentare l’energia cinetica delle molecole a immediato contatto con la sorgente di calore. Le molecole vibrano con maggior ampiezza e urtano le molecole vicine, cedendo loro una parte dell’energia cinetica. E così via lungo tutto il corpo. Le molecole vibrano con maggior ampiezza e urtano le molecole vicine, cedendo loro una parte dell’energia cinetica. E così via lungo tutto il corpo. Poiché le molecole non abbandonano la posizione che occupano nel reticolo cristallino, non vi è spostamento di materia, ma solo di energia. Poiché le molecole non abbandonano la posizione che occupano nel reticolo cristallino, non vi è spostamento di materia, ma solo di energia. La trasmissione del calore per conduzione è tipica dei corpi solidi (avviene in misura ridotta nei fluidi, mascherata dalla convezione). La trasmissione del calore per conduzione è tipica dei corpi solidi (avviene in misura ridotta nei fluidi, mascherata dalla convezione).

27 Conduzione del calore La quantità di calore Q che si propaga La quantità di calore Q che si propaga nel tempo  attraverso una parete nel tempo  attraverso una parete di spessore l, di spessore l, le cui facce di area A le cui facce di area A si trovano a temperatura costante T 2 e T 1 si trovano a temperatura costante T 2 e T 1 può essere espressa dalla relazione di Fourier: può essere espressa dalla relazione di Fourier: dove h (coefficiente di conducibilità termico interno) è tipico del materiale che forma la parete. dove h (coefficiente di conducibilità termico interno) è tipico del materiale che forma la parete.

28 Convezione È possibile solo nei fluidi e si realizza mediante correnti convettive, prodotte dalle differenze di densità che si manifestano nel fluido, per effetto delle variazioni di temperatura È possibile solo nei fluidi e si realizza mediante correnti convettive, prodotte dalle differenze di densità che si manifestano nel fluido, per effetto delle variazioni di temperatura Nel processo di convezione vi è trasporto di materia e di energia. Nel processo di convezione vi è trasporto di materia e di energia.

29 Irraggiamento si verifica quando la propagazione avviene mediante onde elettromagnetiche (radiazioni infrarosse). si verifica quando la propagazione avviene mediante onde elettromagnetiche (radiazioni infrarosse). Non necessita di un mezzo, ma può avvenire anche nel vuoto Non necessita di un mezzo, ma può avvenire anche nel vuoto Nel fenomeno di irraggiamento, viene trasportata energia, ma non materia. Nel fenomeno di irraggiamento, viene trasportata energia, ma non materia.

30 Gas perfetto (o ideale) gas rarefatto e lontano dal punto di liquefazione. Un gas reale, invece, può liquefare a determinate temperature e pressioni. gas rarefatto e lontano dal punto di liquefazione. Un gas reale, invece, può liquefare a determinate temperature e pressioni. Obbedisce alle seguenti leggi: Obbedisce alle seguenti leggi: Legge di Boyle Legge di Boyle 1ª legge di Gay-Lussac 1ª legge di Gay-Lussac 2ª legge di Gay-Lussac 2ª legge di Gay-Lussac Equazione di stato dei gas perfetti Equazione di stato dei gas perfetti

31 Legge di Boyle Per un gas perfetto a temperatura costante: pV = costante p = pressione V = volume p V k=1 k=2

32 1ª legge di Gay-Lussac Per un gas perfetto a pressione costante: V 0 = volume a 0° C V t = volume alla temperatura t

33 2ª legge di Gay-Lussac Per un gas perfetto a volume costante: p 0 = pressione a 0° C p t = pressione alla temperatura t

34 Equazione di stato dei gas perfetti Se si esprime la temperatura in gradi Kelvin, le tre leggi precedenti possono essere unificate nella n = numero di moli n = numero di moli R = costante universale dei gas = 8,314 J/(mol K) R = costante universale dei gas = 8,314 J/(mol K) T = temperatura assoluta T = temperatura assoluta

35 Equazione di stato dei gas perfetti Oppure: pV = NkT N = numero di molecole del gas considerato N = numero di molecole del gas considerato k = costante di Boltzmann = 1,38.10 -23 J/K k = costante di Boltzmann = 1,38.10 -23 J/K T = temperatura assoluta T = temperatura assoluta

36 Energia cinetica media di una molecola di gas k = costante di Boltzmann Se aumenta la temperatura, allora aumenta l’energia cinetica media e, pertanto, aumenta la pressione del gas sulle pareti.

37 Test Una data quantità di gas perfetto, contenuto in un recipiente a pareti rigide, viene riscaldata dalla temperatura di 27 gradi centigradi a quella di 127 gradi centigradi. La sua pressione è aumentata di un fattore: Una data quantità di gas perfetto, contenuto in un recipiente a pareti rigide, viene riscaldata dalla temperatura di 27 gradi centigradi a quella di 127 gradi centigradi. La sua pressione è aumentata di un fattore: A. 4/3 B. 2 C. 100 D. 10 E. 3/2

38 Test Sappiamo che una mole di gas perfetto in condizioni standard occupa un volume di 22,4 litri. Se lo lasciamo espandere isotermicamente fino a 44,8 litri, allora: Sappiamo che una mole di gas perfetto in condizioni standard occupa un volume di 22,4 litri. Se lo lasciamo espandere isotermicamente fino a 44,8 litri, allora: A. La sua pressione sarà 0,5 atm B. La sua pressione sarà 101.315 Pa C. La sua pressione sarà il doppio di prima D. La sua pressione sarà pari a quella di prima E. La sua temperatura assoluta sarà il doppio di prima In condizioni standard = alla pressione di 1 atm = 101.315 Pa

39 Test Il passaggio di fase, per esempio da solido a liquido, è un esempio di trasformazione: Il passaggio di fase, per esempio da solido a liquido, è un esempio di trasformazione: A. isoterma B. isobara C. isocora D. adiabatica E. isodensa Ogni passaggio di fase avviene a temperatura costante (sosta termica) Quindi…

40 Test Nel diagramma pV in figura sono rappresentate due isoterme di un gas perfetto. Che relazione c’è tra le temperature T 1 e T 2 ? Nel diagramma pV in figura sono rappresentate due isoterme di un gas perfetto. Che relazione c’è tra le temperature T 1 e T 2 ? A. T 1 > T 2 B. T 1 = T 2 C. T 1 < T 2 D. Per rispondere è necessario sapere se il gas è monoatomico o biatomico E. Nessuna delle risposte precedenti è corretta p V T1T1 T2T2 P=k/V: al crescere di k “sale l’isoterma” k = nRT