Fenomeni Termici

Riassunto Lezione Precedente Principi di Inerzia Concetto di Forza Concetto di massa inerziale Forza Gravitazionale Lavoro Energia: Energia cinetica e potenziale Conservazione dell’energia meccanica

I FENOMENI TERMICI Temperatura Calore Propagazione del calore Termoregolazione del corpo umano Metabolismo

Temperatura e Gas (I)

Temperatura e Gas (II)

Temperatura e Gas (III)

Temperatura e Gas (IV) Queste grandezze sono sufficienti per descrivere corpi isolati; esse devono però essere completate da altre quando i corpi vengono a contatto tra loro o quando, per esempio, vengono colpiti da radiazioni

Temperatura

Temperatura (II)

Espansione Termica

Misura della Temperatura

Scale termometriche

Acqua

Calore

Calore (II)

Calore Specifico

Calore: Unità di misura

Equivalente meccanico della caloria

equivalente termico del lavoro equivalente meccanico della caloria Caloria: Riassunto Unità di misura pratica : caloria (cal) 1 caloria = quantita’ di calore necessaria per aumentare di 1oC la temperatura di 1 g di acqua Se Q si esprime in cal: L = J Q equivalente termico del lavoro equivalente meccanico della caloria J = L Q = 4.18 joule/cal

Differenza di Temperatura finale ed iniziale Calore Differenza di Temperatura finale ed iniziale

Calore specifico Q = c m (t2 – t1) = c m Dt Q c = m (t2 – t1) capacità termica c = Q m (t2 – t1) [cal /(goC)] Il calore specifico dipende dal tipo di sostanza: per l’acqua e’ c = 1 cal/(goC)

Equilibrio Termico

Propagazione del calore

Propagazione del calore caratteristico dei fuidi

Irraggiamento termico Ogni corpo emette radiazione termica ( onde elettromagnetiche) dipendente dalla sua temperatura assoluta T I = Q/(Dt•DS) intensità = quantità di radiazione tempo • superficie W/m2 Leggi dell’emissione termica: I  T4 (temperatura assoluta) lunghezza d’onda massima l  1/T Anche un corpo “freddo” emette radiazione termica! Radiazione emessa dal corpo umano con febbre a 40o (rispetto a 37o): I40/I37 = T440(T437) = [(273+40)/(273+37)]4 = (313/310)4 = 1.0393 (3.93 % in più) Es.

Termoregolazione

Termoregolazione (II)

Termoregolazione del corpo umano Modalita’ di trasmissione del calore nel corpo umano: CONDUZIONE interno: contatto tra organi esterno: contatto tra cute e aria o vestiti CONVEZIONE interno: diffusione omogenea del calore tramite liquidi biologici (sangue e linfa) IRRAGGIAMENTO esterno: emissione termica EVAPORAZIONE esterno: sudorazione e evaporazione

Temperatura e umidita’ Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalla differenza tra la temperatura corporea e quella ambiente. L’evaporazione dipende dal tasso di umidita’ relativa: rapporto tra le pressioni di vapor acqueo di vapor saturo. Quando la temperatura ambiente si avvicina ai 37oC, i normali meccanismi di trasmissione del calore non contribuiscono più; rimane solo l’evaporazione,ma solo se l’ambiente non e’ troppo umido.

Metabolismo del corpo umano Corpo umano  “macchina” a energia interna (chimica) t  37oC  Dt  0  DU  0 I due effetti si devono bilanciare Aumento di energia (Q>0): reazioni chimiche esotermiche (ossidazione carboidrati, grassi, proteine) Diminuzione di energia (Q<0): emissione di calore nell’ambiente lavoro esterno (attivita’ vitali) lavoro interno (attivita’ vitali)

Metabolismo del Corpo Umano

Metabolismo del Corpo Umano (II)

Metabolismo del Corpo Umano (III)

Metabolismo del Corpo Umano (IV)

Termodinamica

Termodinamica Termodinamica: Concetti Gas Perfetto Prima Legge Termodinamica

Termodinamica

Trasformazioni termodinamiche E’ impossibile “seguire” il moto di agitazione termica di un gran numero di particelle (~NA=6.022•1023) descrizione fenomenologica descrizione statistica SISTEMA TERMODINAMICO: insieme di particelle con uguali proprietà termodinamiche isolato: non scambia materia né energia con l’esterno chiuso: non scambia materia ma scambia energia con l’esterno TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE: variazione dei parametri termodinamici di un sistema  pressione pressione costante  isobara  volume volume costante  isocora  temperatura temperatura costante  isoterma

Gas Perfetto

Gas perfetti Un gas e’ perfetto/ideale se: ha molecole puntiformi  e’ trascurabile il volume proprio delle molecole le molecole subiscono urti elastici  dopo l’urto le particelle rimangono sempre le stesse Di fatto e’ la stessa situazione dei liquidi perfetti (v. Teorema di Bernoulli): si trascurano gli attriti. In questo modo il gas perfetto risulta essere il sistema termodinamico piu’ semplice, caratterizzato solo dai 3 parametri termodinamici pressione, volume, temperatura.

Macro e Micro

Condizioni iniziali dei gas perfetti Legge di Avogadro: in qualunque gas perfetto a NTP = condizioni normali di temperatura e pressione (p = 1 atm, t = 0°C) una mole di gas (n=1  N = N0 = 6.022•1023 molecole) occupa sempre un volume V0 = 22.414 litri.

Equazione di Stato

Costante dei gas perfetti pV = T T0 p0V0 pV = T T0 p0V0 R = costante dei gas perfetti Per n = 1 mole: poVo To R = = 1 atm•22.4 l 273°K•mole °K•mole 0.082 l•atm n. moli, non molecole! = 105 Pa • 22.4•10–3 m3 273°K•mole 8.325 J °K•mole pV = nRT Finalmente  equazione di stato:

Legge dei Gas Perfetti

Leggi dei gas perfetti a t cost., pV = costante Per i gas perfetti si verificano 3 (+1) leggi sperimentali: 1) legge di Boyle: a t cost., pV = costante 2) 1a legge di Gay-Lussac: a p cost., Vt = V0(1+at) 3) 2a legge di Gay-Lussac: a V cost., pt = p0(1+bt) con a = b = 1 273° 4) legge di Avogadro: per due gas diversi, a p1=p2, V1=V2, t1=t2, risulta N1=N2

Zero Assoluto

Macro e Micro VELOCITA’

Energia Interna

Primo Principio della Termodinamica

Primo Principio della Termodinamica

1o principio della Termodinamica Conservazione dell’energia nei fenomeni termici: il calore fornito/sottratto finisce in parte in variazione di energia interna (temperatura) in parte in lavoro compiuto dal/sul sistema JQ = DU + L Quantità di calore in joule (J=4.18 joule/cal) Q>0  calore fornito Q<0  calore sottratto Variazione di energia interna DU>0  aumento DU<0  diminuzione di temperatura Lavoro compiuto L>0  dal sistema (espansione) L<0  sul sistema (compressione)

Gas reali Un gas e’ reale se non e’ perfetto: ha molecole non puntiformi  non e’ trascurabile il volume proprio delle molecole le molecole subiscono anche urti non elastici  dopo l’urto le particelle possono non rimanere sempre le stesse Un gas reale puo’ condensare e solidificare. Parametro importante: Tc = temperatura critica Per T > Tc il gas non può in alcun modo passare alla fase liquida, a causa dell’agitazione termica.

Ma i gas reali sono perfetti? Un gas reale si puo’ approssimare con un gas perfetto quando : a) e’ a temperatura >> Tc b) e’ lontano dalle condizioni di condensazione (basse pressioni e grandi volumi) Gas fisiologici e di impiego medico: N2 – 147.1 O2 – 118.8 CO2 +31.3 H2O +374.1 Tc (oC) azoto ossigeno anidride carbonica acqua a 37 oC:  perfetto ??? reale