Principio zero Trasformazioni termodinamiche Lavoro termodinamico Calorimetria Principio zero Trasformazioni termodinamiche Lavoro termodinamico

Stato termodinamico Come abbiamo visto precedentemente di un fluido è più facile conoscere: il volume V, la temperatura T e la pressione P. Le tre variabili indicate non sono indipendenti, ma legate da una relazione tipo f(P,V,T) = 0 per cui lo stato del fluido sarà noto conoscendo due delle tre variabili indicate. Lo stato termodinamico si rappresenta in un piano di Clapeyron (V,p): un punto su questo piano rappresenta uno stato di equilibrio così come una linea rappresenta una trasformazione. Una trasformazione è reversibile se la trasformazione passa attraverso stati di equilibrio o vi differisce per valori infinitesimi, curva continua. Mentre si chiama irreversibile una trasformazione che passa attraverso stati di non equilibrio, curva discontinua. p A V p B A V p A B V

Equilibrio termodinamico Un sistema termodinamico è un insieme grandissimo di particelle e il suo stato si conosce misurando, volume, temperatura e pressione. Due sistemi si dicono in equilibrio termodinamico se messi a contatto non mostrano variazioni fra le grandezze macroscopiche. In un gas, la pressione, la temperatura ed il volume sono dovuti ai ripetuti urti che le innumerevoli molecole hanno con le pareti del contenitore. Due sistemi sono in contatto termico se il riscaldamento di uno dei sistemi determina variazioni in una delle grandezze macroscopiche dell’altro Pertanto Due sistemi sono in equilibrio termodinamico se sono alla stessa temperatura

Principio zero “Due corpi che siano all’equilibrio termico con un terzo corpo sono in equilibrio termico fra loro” Con questa legge si afferma l’importanza che ha la temperatura nell’edificare la teoria della termodinamica. Il punto triplo dell’acqua è un buon riferimento fisico, facilmente riproducibile ed ha una temperatura pari a 273 K o 0 oC.

Celsius vs. Fahrenheit Tc = T - 273,15 Tf = 9/5 Tc + 32°C Tc = 5/9(Tf - 32°C)

Abbiamo trovato il modo di definire la temperatura assoluta Se prendiamo un palloncino pieno di N2 e riduciamo di un grado la temperatura il suo volume si riduce di 1/273,16. La stessa cosa succede per ogni tipo di gas. Anche per numero di moli diversi le rette avranno pendenze diverse, ma il loro prolungamento intercetterà l’asse della T sempre a -273,16 °C. m2 (moli) pV (joule) m1 (moli) -273,16 200 400 T (°C) Poiché la scala celsius e quella assoluta sono entrambe decimali, il punto triplo dell’acqua è fissato a 273,16 K. Abbiamo trovato il modo di definire la temperatura assoluta

Trasferimento di energia Oggetti con temperature diverse messi a contatto, prima o poi, raggiungeranno l’equilibrio termico. In questo processo c’è trasferimento di energia interna dall’oggetto più caldo a quello più freddo. Se i due oggetti sono: un corpo e il suo l’ambiente circostante; definiamo il calore Q positivo se il trasferimento avviene dall’ambiente verso il corpo, e negativo nel caso contrario Il calore Q si misura in cal ed essendo un trasferimento di energia interna, dovrà avere un equivalente meccanico espresso in J (Joule) 1 cal = 4,186 J Ta Q Ts Q > 0 Ta > Ts Ta Ts Q = 0 Ta =Ts Ta Q Ts Q < 0 Ta < Ts

Equivalente meccanico del calore Abbiamo imparato che il calore è un’altra forma di energia. Si può misurare l’equivalente meccanico del calore con una macchina e si trova che 1 cal = 4,186 J Da dove scaturisce questo numero? Il numero si ricava utilizzando il mulinello di Joule: cioè è il lavoro fatto dalla forza di attrito. (le calorie delle diete sono kcal = Cal) *** Una persona di 74 kg beve un succo di frutta di 300 Cal. Quanti gradini di 20 cm deve fare per smaltire tutte le Cal? Q = 300000 = 3x105x4,186 = 1,26x106 Q = mgH  H = Q/mg = H = 1,26x106/74x9,8 = 1736m n = H/20cm = 1736/0,20 = 8680 gradini

Dilatazione termica Sperimentalmente si osserva che un corpo riscaldato aumenta il suo volume, con l’eccezione dell’acqua. Riscaldando un corpo gli si trasferisce energia. Tale energia aumenta l’energia vibrazionale delle molecole e questo comporta un aumento del volume. L’aumento nelle tre dimensioni è direttamente proporzionale alle lunghezze di ciascuna dimensione: così potremo scrivere DV/V = b DT b è il coefficiente di dilatazione Si può anche parlare di coefficiente di dilatazione lineare se la geometria dell’oggetto è prevalentemente unidimensionale DL/L = a DT

Perché la dilatazione termica V (r) Il potenziale che tiene insieme gli atomi in un solido ha la forma riportata in figura. A temperatura ambiente gli atomi vibrano in modo armonico attorno al minimo della curva r0 che è la distanza media fra gli atomi. A temperature più alte le oscillazioni sono più ampie ed anarmoniche, così che la distanza media degli atomi diventa: r0’ = r0 + dr r0 r Potenziale di Lennard – Jones V(r) = 4e [(a/r)12 – (b/r)6]

Concetti da non confondere La temperatura è una caratteristica termodinamica posseduta da ogni corpo, ed è il risultato dell’equilibrio termodinamico fra il corpo ed il suo ambiente circostante. Il calore non è una proprietà termodinamica, ma è una forma di trasferimento di energia da un corpo ad un altro, causato della differenza di temperatura. Non è quindi una proprietà intrinseca degli oggetti. L’energia interna ha lo stesso significato della temperatura ed è dovuta all’agitazione termica delle particelle che compongono il corpo.