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

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

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

2 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine2 La Temperatura riflette il movimento casuale delle particelle, ed è quindi correlata allenergia cinetica delle molecole Il Calore coinvolge un trasferimento di energia tra due oggetti a temperatura differente Calore e Temperatura

3 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine3 Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperatura Flusso di Calore

4 Flusso di Calore ed 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 lequilibrio termico.

5 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine5 Un processo si dice Esotermico: se il calore viene emesso dal sistema verso lambiente Endotermico: se il calore viene assorbito dal sistema ed emesso dallambiente Calore Scambiato

6 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine6 Un sistema può scambiare energia con lambiente mediante Calore scambiato Lavoro eseguito (dal sistema o dallambiente) 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. Energia, Lavoro e Calore

7 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine7 Calore e Lavoro Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili luno nellaltro Dopo aver variato lEnergia di un sistema, questo non ricorda se è stato eseguito del lavoro o se è stato scambiato del calore Dopo aver variato lEnergia di un sistema, questo non ricorda se è stato eseguito del lavoro o se è stato scambiato del calore

8 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine8 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 quantit à di calore prodotto era proporzionale alla quantit à di lavoro Joules mostrò anche che la quantit à di calore prodotto era proporzionale alla quantit à di lavoro

9 9 Simbolo: w Il Lavoro e energiaordinata che puo essere utilizzata per sollevare un peso nellAmbiente Non puo essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro. Lavoro: Energia in Transito

10 10 Simbolo: q Il Calore e energiadisordinata che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire lequilibrio termico. NON puo essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato. Calore: Energia per giungere allEquilibrio

11 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine11 Non si puo parlare di Calore Contenuto Contenuto in un corpo!! Solo di Energia Energia contenuta Calore Contenuto???

12 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine12 Convenzione del Segno Per convenzione, Lavoro e Calore sono negativi se diminuiscono lenergia del sistema, positivi se laumentano Lavoro > 0 se e fatto sul sistema < 0 se e fatto dal sistema Calore > 0 se e assorbito dal sistema < 0 se e emesso dal sistema

13 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine13 Sistema e Ambiente

14 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine14 Conversione: Lavoro in Calore Temperatura di una palla da tennis prima e dopo lurto

15 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine15 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. Calore e Lavoro non si Conservano

16 16 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, … )

17 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine17 Energia Interna Lenergia Interna PUO venire immagazzinata Esiste una U i prima del processo e una U f dopo il processo. Esiste quindi un U = U f - U i U e una funzione di stato U si comporta come una banca. Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantit à equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo

18 Prima Legge della Termodinamica Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni di stato, sperimentalmente si osserva che la loro somma è una variazione di una funzione di stato chiamata Energia Interna U = q+w

19 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine19 Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentali Calore e Lavoro sono equivalenti Esiste una funzione di stato chiamata U che rappresenta lenergia interna del sistema Se il sistema è isolato, q = w = 0, per cui U = 0: l energia si conserva Notate che non scriviamo q o w U = q + w

20 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine20 Corollario LEnergia dellUniverso è costante

21 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine21 Il 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 U = q + w in forma differenziale diventa dU = dq + dw

22 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine22 Energia Interna LEnergia 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) Lequazione di stato che lega p, V e T non fornisce alcuna informazione su U, che deve quindi essere ricavata separatamente. Lequazione di stato che lega p, V e T non fornisce alcuna informazione su U, che deve quindi essere ricavata separatamente. Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di U diverso Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di U diverso

23 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine23 U per un Gas Ideale Monoatomico Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale monoatomico Lo Zero delle energie e imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, poiche interessano solo le variazioni di Energia Lo Zero delle energie e imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, poiche interessano solo le variazioni di Energia Dipende SOLO da T, non da V o p Dipende SOLO da T, non da V o p

24 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine24 Unita 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 ( ) vede che lavoro-energia e calore sono la stessa cosa (circa metà dell800) trasforma lavoro in calore e misura i risultati

25 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine25 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

26 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine26

27 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine27 Trasmissione del calore In sistemi complessi conduzione da atomo ad atomo fortemente dipendente dai tipi di struttura atomica:si va da ottimiconduttori ad ottimi isolanti nei sistemi fluidi è esaltata dalla convezione rimescolamento del fluido Nel vuoto irraggiamento

28 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine28 Trasmissione del calore Legge empirica per la trasmissione per conduzione

29 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine29

30 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine30 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!

31 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine31 Convezione Ristretta ai fluidi Di solito la densità di un fluido diminuisce con laumentare della temperatura Il fluido si sposta e viene rimpiazzato da altro a temperatura minore pentole e termosifoni Il meccanismo può divenire molto efficiente

32 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine32 Irraggiamento Energia elettromagnetica (onde elettromagnetiche) irraggiate nello spazio luce, X, onde radio, infrarossi,... Sole, grill, barbecue Principale meccanismo di trasmissione dellenergia in tutto lUniverso Unico possibile nel vuoto

33 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine33 Irraggiamento La quantità di energia irraggiata è proporzionale alla IV potenza della temperatura assoluta è la legge (empirica) di Stefan-Boltzmann il coefficiente è lemittenza della superficie Se si ha un corpo nero

34 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine34 Irraggiamento Ecco un esempio

35 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine35 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

36 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine36 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

37 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine37

38 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine38 La termodinamica

39 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine39 La termodinamica In termodinamica si prescinde dai dettagli del sistema Si parte da una serie di principi astratti Si traggono conclusioni di tipo molto generale Esempi di sistemi termodinamici una batteria una soluzione chimica …ed anche un gas perfetto

40 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine40 Lo stato termodinamico

41 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine41 Definizione di stato Un sistema generico viene descritto da una serie di parametri globali macroscopici Se i parametri non variano nel tempo hanno lo stesso valore in tutti i punti dello spazio saremo in uno stato termodinamico

42 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine42 Definizione di stato Attenzione Raramente ci troviamo in stati termodinamici ad esempio laria in una stanza di solito non lo è stato termodinamico (approssimato) umidità del 100% 37°C possibilmente da una settimana

43 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine43 Definizione di stato In generale i parametri definiscono uno stato termodinamico sono legati fra loro da un equazione di stato

44 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine44 Definizione di stato Nel caso del gas perfetto Parametri Equazione di stato Due parametri indipendenti il terzo lo si deduce dallequazione di stato

45 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine45 Equilibrio Termico Consideriamo due sistemi isolati. Questi avranno in generale dei valori diversi di p,V e T. A p 1,V 1,T 1 B p 2,V 2,T 2 Parete adiabatica A p 1,V 1,T B p 2,V 2,T Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono lequilibrio termico, e la loro temperatura è identica. Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono lequilibrio termico, e la loro temperatura è identica. Parete conduttrice

46 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine46 Equilibrio Termico Consideriamo ora due sistemi, A e B, separati da una parete adiabatica, ma ciascuno in contatto termico con C AB C AB C A e B raggiungono lequilibrio termico con C A e B raggiungono lequilibrio termico con C Mettiamo ora A e B in contatto… Mettiamo ora A e B in contatto… non vi sono ulteriori cambiamenti: A e B sono gia in equilibrio non vi sono ulteriori cambiamenti: A e B sono gia in equilibrio

47 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine47 Principio Zero della Termodinamica ASSIOMA: due sistemi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro. Il principio zero della termodinamica e stato enunciato dopo il primo e secondo principio. Ci si e resi conto della sua necessita quando si e iniziato a costruire ledificio della Termodinamica in modo logico. Il principio zero della termodinamica e stato enunciato dopo il primo e secondo principio. Ci si e resi conto della sua necessita quando si e iniziato a costruire ledificio della Termodinamica in modo logico. Il Termometro funziona grazie a questo principio Il Termometro funziona grazie a questo principio

48 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine48 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

49 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine49 Processo o Trasformazione Un Processo Termodinamico è un cammino sulla superficie descritta dalla equazione di stato. Una successione di stati termodinamici.

50 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine50 Tipi di Trasformazione Isoterma T = cost. Isobarap = cost. IsocoraV = cost. Adiabaticaq = 0 IsoentropicaS = cost....


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