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Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 Energia.

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Presentazione sul tema: "Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 Energia."— Transcript della presentazione:

1 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 Energia

2 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine2 Conservazione della Massa Enuncia il principio di conservazione della massa: La Materia non viene nè creata nè distrutta, ma cambia solamente forma Antoine-Laurent Lavoisier ( ) e sua moglie

3 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine3 Conservazione della massa La Materia e composta da Atomi che non possono essere nè creati nè distrutti John Dalton ( )

4 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine4 Spiegazioni di altri Fenomeni L elettricità è generata dal flusso di due fluidi, chiamati vetroso e resinoso Il magnetismo è generato dal flusso di due altri fluidi, chiamati australe e boreale Il Calore invece era il flusso di un singolo fluido, chiamato calorico

5 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine5 Le Nuove Forme di Energia Nel diciottesimo secolo, il medico italiano Luigi Galvani ( ) scoprì che un conduttore bimetallico caricato elettricamente poteva far muovere le zampe di rane morte.Luigi Galvani Si pensò che lelettricità scorresse dentro ogni essere vivente. Il romanzo Frankenstein, di Mary Shelley ( ) e basato su queste teorie

6 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine6 Le Nuove Forme di Energia nel 1791, Galvani attribuì ai tessuti animali la capacità di produrre elettricità. Alessandro Volta ( ) riconobbe che leffetto Galvanico, il movimento delle zampette di rana, era da ricondurre al passaggio della corrente nei tessuti animali, incapaci di produrre elettricità. Nel 1800, Volta costruì la prima pila, Questapparato era in grado di produrre chimicamente corrente elettrica.

7 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine7 Le Nuove Forme di Energia Michael Faraday ( ) scopri che il passaggio di elettricità in una soluzione poteva indurre delle reazioni chimiche Hans Christian Ørsted ( ) scopri che la corrente elettrica poteva generare un campo magnetico. Thomas Seebek osservo che anche il calore poteva venire convertito in elettricità, scoprendo leffetto termoelettrico

8 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine8 LEnergia Tutti questi fenomeni mostravano chiaramente come elettricit à, magnetismo, calore e reazioni chimiche erano strettamente correlati Poteva il principio della conservazione della somma di energia cinetica e potenziale, valere anche per altre forme di energia? Cominciò a poco a poco a farsi strada l idea che la moltitudine di fenomeni osservati potevano essere visti come la trasformazione di un unica entit à che cambiava solamente forma: l Energia

9 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine9 La Natura del Calore Per lungo tempo Calore e Temperatura furono confusi Ora noi sappiamo che il calore è una forma di energia, dovuta allincessante movimento degli atomi e delle molecole di cui sono composti i vari oggetti. Essendo una particolare forma di energia, non ci deve sorprendere che non si conservi, così come non si conservano altre forme di energia.

10 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine10 La Natura del Calore Lidea che il calore e il lavoro fossero interconvertibili si sviluppò piano piano nel corso dei secoli, ma con un cammino ben lungi dallessere lineare e semplice come spesso viene presentato sui libri di testo. Accostate le vostre mani leggermente e sfregatele lentamente, senza troppo vigore. Non succede nulla. Provate ora a premerle una contro laltra con forza e sfregarle vigorosamente. Immediatamente le mani si scaldano. Da dove arriva il Calore?

11 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine11 Sir Francis Bacon e il Calore Nel 1620 Bacon ebbe lintuizione che il calore era nientaltro chemovimento, rapida e vigorosa agitazione delle particelle di cui è composta la materia Mori di bronchite sperimentando lidea che il freddo potesse prevenire la putrefazione della carne e permetterne la sua conservazione. La sua teoria del calore venne dimenticata Francis BaconFrancis Bacon ( ) Nato nel 1561 da una potente famiglia alla corte della Regina Elisabetta I di Inghilterra. Francis Bacon

12 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine12 La Teoria del Calorico lopinione prevalente (Lavoisier, Fourier, Laplace e Poisson), era che il calore fosse una sorta di fluido misterioso, il calorico, che fluiva in ogni sostanza e spontaneamente passava da un corpo caldo ad un corpo freddo. Nonostante i numerosi tentativi, il calorico sfuggiva ad ogni sforzo per essere isolato e investigato direttamente. Pian piano aumentava levidenza sperimentale e teorica che la teoria del calorico fosse errata.

13 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine13 La Teoria del Calorico I corpi caldi contengono piu calorico del corpi freddi Mettendo a contatto un corpo caldo con un corpo freddo, il calorico fluisce dal corpo caldo a quello freddo

14 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine14 La Teoria del Calorico Benjamin Thompson, Conte Rumford, supervisionava la fabbricazione di cannoni. Il corpo di un cannone veniva fabbricato a partire da un cilindro di metallo, in cui veniva prodotto meccanicamente un foro del diametro desiderato. Lattrito meccanico generava moltissimo calore. Benjamin Thompson ( ) nato nella colonia del Massachusetts. Trasferitosi in Europa, lavorò al servizio del Duca di Baviera. Fu nominato Conte del Sacro Romano Impero, e scelse di chiamarsi Conte Rumford

15 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine15 Il Conte Rumford Thompson immerse un blocco metallico in acqua, e dimostrò che era necessaria la stessa quantità di calore per innalzare di un grado la polvere metallica generata, oppure un blocco di metallo dello stesso peso. Il calore prodotto proveniva semplicemente dal lavoro meccanico compiuto per forare il cannone. La teoria del calorico sostenenva che, la polvere di metallo poteva contenere meno calorico del blocco di metallo originale. Durante la lavorazione del cannone, il calorico non poteva più essere immagazzinato nella polvere metallica, e veniva disperso sotto forma di calore. La teoria del calorico sostenenva che, la polvere di metallo poteva contenere meno calorico del blocco di metallo originale. Durante la lavorazione del cannone, il calorico non poteva più essere immagazzinato nella polvere metallica, e veniva disperso sotto forma di calore.

16 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine16 Il Calorico Il calore quindi non era una sostanza. Le idee sbagliate però sono dure a morire, e la teoria del calorico sopravvisse ancora un poco. Ancora oggi, nel linguaggio comune, sono presenti dei resti linguistici di quella teoria. Parliamo infatti di calore che entra ed esce dai corpi, o dalle finestre aperte. Luso della caloria (cal) come unità di energia è una vestigia di quel passato.

17 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine17 James Prescott Joule Il riconoscimento e lenunciazione del principio universale della conservazione dellenergia è dovuto principalmente a James Prescott Joules ( ), birraio e appassionato di scienza. In suo onore oggi usiamo il joule come unità di misura del lavoro e dellenergia del Sistema Internazionale (SI). Tuttavia in alcuni campi sono ancora utilizzate le calorie, ad esempio nelle etichette dei cibi, (in realtà Kilocalorie ). In suo onore oggi usiamo il joule come unità di misura del lavoro e dellenergia del Sistema Internazionale (SI). Tuttavia in alcuni campi sono ancora utilizzate le calorie, ad esempio nelle etichette dei cibi, (in realtà Kilocalorie ).

18 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine18 LEsperimento di Joule Joules provò lequivalenza tra calore e lavoro meccanico Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un aumento della temperatura dellacqua Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro

19 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine19 Conservazione dellEnergia Julius Robert von Mayer ( ) Julius Robert von Mayer fu il primo a enunciare esplicitamente il principio di conservazione dellenergia Julius Robert von Mayer fu il primo a enunciare esplicitamente il principio di conservazione dellenergia Le varie forme di energia (Chimica, Elettrica, Magnetica, Meccanica, Calore) si possono trasformare una nellaltra, ma lenergia totale rimane costante

20 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine20 Massa-Energia Oggi i due principi fondamentali di conservazione sono stati riuniti in un unico principio: la conservazione della massa-energia E = mc 2 Albert Einstein ( )

21 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine21 Lavoro

22 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine22 Cosa e lEnergia LEnergia e, grossolanamente, la capacita di compiere un Lavoro Un Lavoro e una Forza moltiplicata per uno spostamento

23 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine23 lEnergia cinetica e legata al moto di un corpo Energia Cinetica

24 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine24 Energia potenziale lEnergia potenziale e dovuta alla posizione di un corpo in un campo di forze lEnergia potenziale e dovuta alla posizione di un corpo in un campo di forze Altri campi di forze generano diverse funzioni di energia potenziale Altri campi di forze generano diverse funzioni di energia potenziale

25 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine25 Lunita di misura del sistema SI e il Joule kg m 2 /s 2 = 1.00 Joule (J) In Chimica alcuni usano ancora le calorie: 1 cal = J Unita di misura dellEnergia

26 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine26 Il Lavoro Consideriamo un sistema con delle forze non bilanciate Queste forze causano uno spostamento: viene compiuto un Lavoro Queste forze causano uno spostamento: viene compiuto un Lavoro

27 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine27 Tipi di Lavoro Meccanico

28 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine28 Lavoro Il lavoro e una Forza per uno Spostamento Tuttavia, se la forza non e costante, si considera il lavoro infinitesimo

29 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine29 Vari tipi di Lavoro Con il progredire delle conoscenze scientifiche, altri tipi di lavoro si sono aggiunti al lavoro meccanico. Ad esempio il lavoro elettrico, o magnetico, in cui, apparentemente non vi è un movimento macroscopico Cosi, parlando di lavoro, possiamo limitarci a considerare il lavoro meccanico compiuto da un gas Almeno concettualmente, si possono trasformare tutte le varietà di lavoro in lavoro meccanico. Anche lespansione (o compressione) di un gas in un cilindro può essere convertita in lavoro utile per sollevare un peso. Almeno concettualmente, si possono trasformare tutte le varietà di lavoro in lavoro meccanico. Anche lespansione (o compressione) di un gas in un cilindro può essere convertita in lavoro utile per sollevare un peso.

30 30 Lavoro in Termodinamica In Chimica molte reazioni coinvolgono gas, e possono generare lavoro. Vista lequivalenza tra tutti i tipi di lavoro, considereremo solo il Lavoro di Espansione di un Gas Convenzione: quando un sistema di espande contro una pressione esterna costante p ex, il lavoro fatto dal sistema e -p ex V. w = - p ex V

31 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine31 Sistema: Parte dellUniverso che siamo interessati a studiare Ambiente: Tutto il resto Universo = Sistema + Ambiente Sistema e Ambiente

32 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine32 Lavoro di Espansione Se un Gas si espande nella contro una forza F per una distanza dx, il lavoro compiuto e -Fdx. A dxdxdxdx dVdVdVdV F dw = -Fdx = -pAdx = -pdV dw = -Fdx = -pAdx = -pdV In forma integrale In forma integrale

33 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine33 Convenzione del Segno Il segno negativo indica che, quando il sistema lavora contro una forza esterna, la sua energia interna diminuisce Notate che è la pressione ESTERNA che determina il lavoro, NON quella interna Gas P ex

34 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine34 Interpretazione Grafica del Lavoro 1.Rappresenta unarea nel piano PV (in modulo) 2.Dipende dal cammino 1 2 W p V 1 2 W p V

35 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine35 Interpretazione Grafica del Lavoro

36 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine36 Funzione di Stato Un banale esempio di funzione di stato è laltezza Un banale esempio di funzione di stato è laltezza Una funzione di stato è una proprietà del sistema che dipende solamente dallo stato in considerazione, e non dalla natura del processo (cammino) attraverso il quale il sistema è arrivato allo stato attuale

37 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine37 Funzioni di Stato h non dipende dal cammino h non dipende dal cammino

38 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine38 L NON e una funzione di stato Il Lavoro compiuto dipende dal cammino Laltezza finale non dipende dal cammino Il tempo trascorso dipende dal cammino


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