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Temperatura e Calore La materia è un sistema fisico a molti corpi Gran numero di molecole (N A =6,02·10 23 ) interagenti tra loro Descrizione mediante.

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1 Temperatura e Calore La materia è un sistema fisico a molti corpi Gran numero di molecole (N A =6,02·10 23 ) interagenti tra loro Descrizione mediante grandezze macroscopiche (valori medi su un gran numero di particelle): Pressione Volume Temperatura Il legame con le grandezze microscopiche è di tipo statistico.

2 Temperatura Rappresenta la 5 a grandezza fondamentale (t,T); E` in correlazione con altre grandezze fisiche: volume di un corpo; pressione di un gas; viscosità di un fluido; resistività elettrica;..... T è la misura dello stato termico di un sistema fisico Principio dellequilibrio termico: due corpi posti a contatto raggiungono, dopo un certo tempo, la medesima temperatura. Viene misurata con il termometro: 0° 50° 100° °C Dilatazione termica: V(t) = V o (1 + t) =coefficiente di dilatazione termica In un tubo: h(t) = h o (1 + t) Proprietà termometriche

3 Termometro clinico 37° 38° 41° 36° 39° 40° 42° °C Liquido termometrico: mercurio La strozzatura presente nella canna serve per conservare t max dopo che il termometro è rimosso dal paziente

4 Scale termometriche –200° –100° 100° 200° °C t 0° 100° 200° 300° 400° K T 373° 273° –273° scale centigrade –459.4° –328° –148° 32° 212° °F Scala normale o Celsius o C Scala Farenheit o F Scala assoluta o Kelvin K Unità di misura del S.I. 0° 100° H 2 O tete tftf

5 Nota: si definisce energia interna U di un sistema la quantità: U è quindi funzione della temperatura. Nella materia (N = numero di molecole Na=6,02·10 23 ): Moto di agitazione termica di atomi e molecole: moto disordinato (gas) vibrazioni intorno alle posizioni di equilibrio (solidi) energia cinetica E k Energia potenziale e di legame: energia potenziale E p La temperatura di un corpo è correlata al livello medio di agitazione termica nella materia Interpretazione microscopica

6 Calore Due corpi messi a contatto si portano alla stessa temperatura Trasferimento di energia interna dal corpo più caldo a quello più freddo. Si dice che tra i due sistemi vi è stato scambio di calore Il calore (Q) è lenergia interna dei sistemi trasferita nei processi termici; può essere ceduto o assorbito da un corpo. Unità di misura (S.I.): Joule (J) Unità pratica di misura: caloria (cal) è la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1g di H 2 O da 14,5 o C a 15,5 o C. Lequivalente meccanico della caloria è: 1 cal = 4,186 J Nota: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal

7 Calore Specifico e Capacità Termica La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massa m affinchè la sua temperatura passi da T 1 a T 2 è c = calore specifico quantità caratteristica di ogni materiale (vedi tabella...) Unità di misura (S.I.): J/kg·K (molto utilizzata cal/g· o C ) C=c·m = capacità termica dipende dalla massa delloggetto Unità di misura (S.I.): J/K (molto utilizzato cal/ o C o kcal/ o C Ricorda: T (Kelvin) = t (Celsius) Esempio: 1 cal/g· o C = 1 kcal/kg· o C = 1 cal/g·K = 4,186·10 3 J/kg·K Cal

8 materiale c (cal/g· o C) materiale c (cal/g· o C) acqua1,0glicerina0,58 alluminio0,22ferro0,83 alcool0,55rame0,09 ghiaccio0,5mercurio0,03 corpo umano0,83aria0,23 Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente

9 Esempio: Quante calorie occorrono per innalzare di t=10 o C un volume pari a 3 litri di acqua ? Esprimere il risultato nelle unità del S.I.:

10 t1t1 t2t2 Q1Q1 Q2Q2 Due corpi a temperature t 1 e t 2 (t 2 > t 1 ) sono posti in contatto termico, isolati dallambiente circostante Equilibrio Termico tftf tftf Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di equilibrio t f Applicando la conservazione dellenergia si ottiene la temperatura di equilibrio t f

11 Trasformazioni di fase Corrispondono a transizioni tra i tre diversi stati di aggregazione della materia Avvengono a temperatura costante, caratteristica della sostanza in esame; Sono accompagnate da - assorbimento di calore (endotermiche) - liberazione di calore (esotermiche) liquidogas condensazione evaporazione solidoliquido fusione solidificazione Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche !

12 Calore latente Fusione Q = k f m T = costante k f = calore latente di fusione es. k f (H 2 O) = 80 cal/g Evaporazione Q = k e m T = costante k f = calore latente di evaporazione es. k e (H 2 O) = 606, ·t cal/g Alla temperatura corporea t=37 o C: k e (H 2 O) = 580 cal/g Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il calore Q necessario alla fusione (evaporazione) di una massa m è:

13 Esempio: Quante calorie occorrono per fondere m=10g di ghiaccio ?

14 Trasmissione del calore meccanismi di trasmissione del calore convezione PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA conduzione PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA irraggiamento EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE evaporazione (sistemi biologici) (RADIAZIONE TERMICA)

15 Convezione Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il trasporto di calore è associato al trasporto di materia. Esempi: Radiatore in una stanza; Acqua in una pentola; Nei sistemi biologici: sangue e linfa. In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza di temperatura T tra radiatore e stanza: fornello

16 Conduzione Meccanismo di propagazione del calore nei solidi MATERIALI DIVERSI K (kcal m –1 s –1 °C –1 ) rame ghiaccio acqua – – –4 pelle secca polistirolo aria – – –6 T1T1 T2T2 d K = conducibilità termica S A temperatura ambiente: Q

17 Irraggiamento termico Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo a temperatura T. Avviene anche nel vuoto ! Esempi: Energia solare; Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse; Corpi arroventati emettono luce. Ogni corpo irradia ed assorbe calore dallambiente circostante. Si ha:

18 Uomo t 37°C t 0 U 0 processi esotermici produzione energia ossidazione di : carboidrati C grassi G proteine P Metabolismo del corpo umano Organismo omotermo Q interna U > 0 Q ambiente U < 0 Il corpo deve cedere calore allambiente per mantenere costante la temperatura corporea consumo di O 2

19 Calore latente di evaporazione H 2 O (t = 37°C) 580 cal g –1 evaporazione di 100 g H 2 O58 kcal = kJ Esempio metabolismo basale = M.B. 50 kcal ora –1 m –2 (minima quantità di energia per garantire le funzioni vitali) Evaporazione Meccanismo adottato nei sistemi biologici Processo endotermico passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora; Non dipende dalla differenza di temperatura T.

20 conduzione contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con aria e vestiti trasmissione interna ed esterna irraggiamento emissione termica trasmissione esterna convezione diffusione con distribuzione omogenea del calore interno tramite sangue trasmissione interna evaporazione sudorazione e respirazione H 2 O (t = 37°C) 580 cal g –1 trasmissione esterna Trasmissione del calore nel corpo umano Inefficaci se T=0 esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è maggiore della temperatura corporea Efficace anche se T=0 più efficace se lambiente esterno è secco

21 o 22° 26° 30° 34° kcal ora perdita di calore perdita totale evaporazione conduzione irraggiamento t °C Bassa temperatura ambiente (T<< 37 o C): vasocostrizione brividi, pelle doca Alta temperatura (T 37 o C) o sforzo fisico: vasodilatazione sudorazione Processi regolati dallipotalamo Termoregolazione corporea


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