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A. Stefanel - Termodinamica 11 Termodinamica Equilibrio termico, punti fissi, temperatura e scale termometriche.

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Presentazione sul tema: "A. Stefanel - Termodinamica 11 Termodinamica Equilibrio termico, punti fissi, temperatura e scale termometriche."— Transcript della presentazione:

1 A. Stefanel - Termodinamica 11 Termodinamica Equilibrio termico, punti fissi, temperatura e scale termometriche

2 A. Stefanel - Termodinamica 12 Quando due corpi diciamo A e B vengono posti a contatto tra loro si osserva che le grandezze fisiche che li descrivono cambiano: Cambia il volume di un solido, di un liquido, di un gas Cambia la tensione superficiale di un liquido Cambia la resistenza elettrica di un resistore ………. Tale cambiamento prosegue fino a che i sistemi in interazione raggiungono una nuova situazione di equilibrio. Se uno di essi (ad esempio il corpo A) viene posto a contatto con un terzo corpo C di piccole dimensioni (al esempio il bulbo di un termometro) si vede che anche il copro C evolve verso una situazione di equilibrio. Una volta raggiunta questa situazione, se si pone il corpo C a contatto con laltro dei due corpi intergenti, si osserva che esso è sempre in equilibrio con B.

3 A. Stefanel - Termodinamica 13 AB

4 4 AB

5 5 AB

6 6 Quando due sistemi in interazione tra loro hanno raggiunto lequilibrio (ossia quando non cambiano più i valori delle grandezze che li caratterizzano) se si pone un termometro a contatto con ciascuno di essi si osserva che la colonnina raggiunge in entrambi i casi la stessa altezza. Questo ci autorizza ad introdurre una nuova grandezza fisica, che descrive lequilibrio termico: La TEMPERATURA. Diremo allora che due sistema allequilibrio termico hanno la stessa temperatura Due sistemi che hanno temperature diverse e vengono posti in interazione termica (a contatto tra loro, o anche semplicemente posti vicini in una ambiente isolato) evolvono verso un comune stato di equilibrio termico.

7 A. Stefanel - Termodinamica 17 Per lequilibrio termico sussiste il seguente PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA: Se: A in equilibrio termico con B…. AB

8 A. Stefanel - Termodinamica 18 Per lequilibrio termico sussiste il seguente PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA: Se: A in equilibrio termico con B e B in equilibrio termico con C AB C

9 A. Stefanel - Termodinamica 19 AB C È il principio su cui si basa il funzionamento di un termometro Per lequilibrio termico sussiste il seguente PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA: Se: A in equilibrio termico con B e B in equilibrio termico con C allora anche A e C sono allequilibrio termico fra loro.

10 A. Stefanel - Termodinamica 110 PUna certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Fissate V=V1 e P=P1, il gas A risulta essere in equilibrio termico con una piccola quantità di mercurio contenuta in un bulbo dotato di capillare (un termometro la cui colonna raggiunge una ben definita altezza) (V1;P1) Gas A V

11 A. Stefanel - Termodinamica 111 PUna certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Si cambia V del gas (V=V2) mantenendolo allequilibrio termico con la massa di mercurio. Si osserva che la pressione raggiunge un valore P2. Per il principio zero della TD gli stati (V1;P1) e (V2;P2) sono in equilibrio termico fra loro (sono stati per i quali il sistema ha la stessa temperatura) (V1;P1) Gas A (V2; P2) V

12 A. Stefanel - Termodinamica 112 PUna certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Si cambia V del gas (V=V3) mantenendolo allequilibrio termico con la massa di mercurio. Si osserva che la pressione raggiunge un valore P3. Gli stati (V1;P1), (V2;P2) e (V3;P3) sono in equilibrio termico fra loro (sono stati per i quali il sistema ha la stessa temperatura) (V1;P1) Gas A (V2; P2) (V3; P3) V

13 A. Stefanel - Termodinamica 113 PUna certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Si cambia V del gas (V=V4) mantenendolo allequilibrio termico con la massa di mercurio. Si osserva che la pressione raggiunge un valore P4. Gli stati (V1;P1), (V2;P2), (V3;P3) (V4;P4) sono in equilibrio termico fra loro (sono stati per i quali il sistema ha la stessa temperatura) (V1;P1) Gas A (V2; P2) (V3; P3) (V4; P4) V

14 A. Stefanel - Termodinamica 114 P V Una certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Linsieme degli stati per i quali il sistema A è in equilibrio termico con uno stesso stato di uno stesso sistema B sono in equilibrio termico fra loro (hanno la stessa temperatura) isoterma a temperatura T1 (V1;P1) Gas A (V2; P2) (V3; P3) (V4; P4) T1

15 A. Stefanel - Termodinamica 115 P Per la massa A si possono costruire diverse (infinite) curve isoterme (a temperature T1, T2, T3, T4). Isoterme diverse (a temperatura diversa): non si possono intersecare Una certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Gas A V T1 T2 T3 T4

16 A. Stefanel - Termodinamica 116 P Per una fissata pressione, si possono porre in relazione diretta i valori del volume del sistema A con quelli della temperatura della corrispondente curva isoterma. T = T(V) Una certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. Gas A V T1 T2 T3 T4 P =cost

17 A. Stefanel - Termodinamica 117 P V La stessa procedura può essere ripetuta per un liquido. Il suo stato può essere descritto dalla pressione e dal volume. A pressione costante si correla il volume del liquido con la temperatura a cui esso si trova. La relazione più semplice: T = k V + To

18 A. Stefanel - Termodinamica °C 0 °C 100 parti 1/100 1°C

19 A. Stefanel - Termodinamica 119 Y X La stessa procedura può essere ripetuta per un sistema descritto da due variabili X e Y (es. pressione e volume di un sistema idrostatico; tensione superficiale e e superficie di una lamina saponata) Si possono costruire diverse isoterme. Fissata Y X=X(T) Fissata X Y=Y(T) Y X

20 A. Stefanel - Termodinamica 120 P Una certa massa di un gas A viene descritta dal suo volume V e dalla sua pressione P. V T1 T2 T3 T4 Dh DP DT Termometro a gas a volume costante

21 A. Stefanel - Termodinamica 121 Il Termometro Galileo nel 1610 descrive un termoscopio per misurare la temperatura. Tuttavia non vi era un valore standard di riferimento. Nel 1641 viene costruito, per Ferdinando II Granduca di Toscana, il primo termometro ad alcool in vetro. Vi erano segnate 50 tacche arbitrarie Nel 1702, Roemer suggerisce luso di due valori fissi standard su cui basare una scala di temperature

22 A. Stefanel - Termodinamica 122 Scale di Temperatura Gabriel Daniel Fahrenheit nel 1724 inventa il termometro a mercurio (che possiede una grande e regolare espansione termica) I due punti fissi sono –0:la temperatura di una miscela di cloruro dammonio e ghiaccio –100: la temperatura di un corpo umano in salute –In seguito Fahrenheit modificò la scala in modo tale che la temperatura di fusione del ghiaccio fosse 32 °F e il punto di bollizione dellacqua 212 °F

23 A. Stefanel - Termodinamica 123 Scale di Temperatura Nel 1745 Anders Celsius propone una scala divisa in 100 gradi basata sulla temperatura di fusione del ghiaccio (0 °C) e di ebollizione dellacqua (100 °C) Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dellacqua, fissato a 0.01 °C Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dellacqua, fissato a 0.01 °C La scala Kelvin pone a K il punto triplo La scala Kelvin pone a K il punto triplo

24 A. Stefanel - Termodinamica 124 FahrenheitCelsiusKelvin Punto di ebollizione dellacqua Punto di congelamento dellacqua ° 100 ° 1 kelvin = 1 grado Celsius Scale di Temperatura

25 A. Stefanel - Termodinamica 125 Termometri Si sfrutta una proprietà della materia Nel nostro caso la dilatazione dei solidi e dei liquidi Si definiscono due stati riproducibili ad es. ghiaccio fondente ed acqua in ebollizione Si danno delle temperature convenzionali ai due stati ad es. 0°C e 100°C, ma anche 0°R e 80°R…

26 A. Stefanel - Termodinamica 126 Termometri Si divide lintervallo in parti uguali Si sceglie una scala lineare per semplicità A questo punto si ha in mano un attrezzo per misurare il solito termometro a bulbo, magari Oggi –decine di sistemi diversi per misurare la temperatura –come si misurano temperature bassissime? E altissime? Ed in oggetti piccolissimi? Magari la temperatura di una zanzara o di una cellula?

27 A. Stefanel - Termodinamica 127 Termoscopi e termometri Legalmente ed internazionalmente si usa il termometro a gas perfetto

28 A. Stefanel - Termodinamica 128 P gas (10 4 Pa) H2H2 He aria O2O2 505, , , Valori sperimentali estrapolazione Misura temperatura di fusione dello stagno

29 La Legge di Boyle Nel 1662, Robert Boyle scopre che il volume di un gas varia inversamente proporzionale alla sua pressione (a T costante) V 1 P (T,n costanti)

30 A. Stefanel - Termodinamica 130 La Legge di Boyle

31 A. Stefanel - Termodinamica 131 p 1 V 1 = p 2 V 2 La Legge di Boyle A Temperatura costante pV = costante A Temperatura costante pV = costante Robert Boyle Figlio del Conte di Cork, Irlanda.

32 A. Stefanel - Termodinamica 132 Grafico della Legge di Boyle T4 T3 T2 T1 T1

33 II Legge di Gay Lussac P = k T (a V costane) P = k T (a V costane) La pressione varia linearmente con la temperatura La pressione varia linearmente con la temperatura P = k T (a V costane) P = k T (a V costane) La pressione varia linearmente con la temperatura La pressione varia linearmente con la temperatura T (°C) P (bar) Jacques Charles G Si varia la temperatura del bagno termico, si aggiunge mercurio nel ramo di destra, in modo da mantenere costante il volume del gas A.

34 I Legge di Charles-Gay Lussac V = k T Il volume varia linearmente con la temperatura (a P= cost) V = k T Il volume varia linearmente con la temperatura (a P= cost) G Si varia la temperatura del bagno termico, si aggiunge/toglie mercurio nel ramo di destra, in modo da riportare allo stesso livello il mercurio nei due rami.

35 A. Stefanel - Termodinamica 135 Legge di Charles-Gay Lussac Tutti i grafici predicono V = 0 per T = °C Usando come zero naturale delle temperature, la legge diventa V/T = costante Usando come zero naturale delle temperature, la legge diventa V/T = costante = Zero Assoluto = Zero Assoluto

36 A. Stefanel - Termodinamica 136 La Scala Kelvin di Temperatura Dato che tutti i grafici della legge di Charles-Gay Lussac intersecano lasse delle temperature a °C, Lord Kelvin propose di usare questo valore come zero di una scala assoluta di temperature: la scala Kelvin. 0 Kelvin (0 K) è la temperatura dove il volume di un gas ideale è nullo, e cessa ogni movimento molecolare. 1 K = 1 °C

37 A. Stefanel - Termodinamica 137 Condizioni Standard Condizioni Ambientali Standard di T e P (SATP) –Temperatura: 25 °C = K –Pressione: 1 bar –Il volume molare di un gas e V m = L Condizioni Normali (vecchie STP, non piu usate) Condizioni Normali (vecchie STP, non piu usate) Temperatura: 0 °C = K Pressione: 1 atm Il volume molare di un gas ideale e V m = L


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