Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

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

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

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 l’equilibrio termico.

Calore Scambiato Un processo si dice Esotermico: se il calore viene emesso dal sistema verso l’ambiente Endotermico: se il calore viene assorbito dal sistema ed emesso dall’ambiente Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Energia, Lavoro e Calore
Un sistema può scambiare energia con l’ambiente mediante Calore scambiato Lavoro eseguito (dal sistema o dall’ambiente) 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. Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Calore e Lavoro Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l’uno nell’altro Dopo aver variato l’Energia di un sistema, questo non “ricorda” se è stato eseguito del lavoro o se è stato scambiato del calore Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

L’Esperimento di Joule
Joules provò l’equivalenza tra calore e lavoro meccanico Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un aumento della temperatura dell’acqua Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Lavoro: Energia in Transito
Simbolo: w Il Lavoro e’ energia ‘ordinata’ che puo’ essere utilizzata per sollevare un peso nell’Ambiente Non puo’ essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro. Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - Udine - Italy

Calore: Energia per giungere all’Equilibrio
Simbolo: q Il Calore e’ energia ‘disordinata’ che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico. NON puo’ essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato. Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - Udine - Italy

Calore Contenuto??? No No No!! Non si puo’ parlare di Calore Contenuto in un corpo!! Solo di Energia contenuta Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Convenzione del Segno Per convenzione, Lavoro e Calore sono negativi se diminuiscono l’energia del sistema, positivi se l’aumentano 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 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

Conversione: Lavoro in Calore
Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urto Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

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,…) Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - Udine - Italy

Energia Interna L’energia Interna PUO’ venire immagazzinata Esiste una Ui prima del processo e una Uf dopo il processo. Esiste quindi un DU = Uf - Ui U e’ una funzione di stato U si comporta come una “banca”. Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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 DU = q+w Flavio Waldner - Dipt.di Fisica - Udine - Italy

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

L’Energia dell’Universo è costante
Corollario L’Energia dell’Universo è costante Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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 DU = q + w in forma differenziale diventa dU = dq + dw Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Energia Interna U = U(p,V,T) L’Energia interna U e’ una funzione di Stato. La termodinamica ci assicura che DEVE essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamiche L’equazione 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 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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 Dipende SOLO da T, non da V o p Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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 dell’800) trasforma lavoro in calore e misura i risultati Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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” Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

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

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! Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

Irraggiamento Energia elettromagnetica (onde elettromagnetiche) irraggiate nello spazio luce, X, onde radio, infrarossi,... Sole, grill, barbecue Principale meccanismo di trasmissione dell’energia in tutto l’Universo Unico possibile nel vuoto Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

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

I cambiamenti di stato è il cambiamento 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 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

La termodinamica Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

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

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

Definizione di stato Nel caso del gas perfetto Parametri Equazione di stato Due parametri indipendenti il terzo lo si deduce dall’equazione di stato Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Equilibrio Termico Consideriamo due sistemi isolati. Questi avranno in generale dei valori diversi di p,V e T. A p1,V1,T1 B p2,V2,T2 Parete adiabatica A p1,V1,T B p2,V2,T Parete conduttrice Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono l’equilibrio termico, e la loro temperatura è identica. Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

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 l’edificio della Termodinamica in modo logico. Il Termometro funziona grazie a questo principio Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

Equilibrio Un sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze che lo caratterizzano rimangono costanti nel tempo Equilibrio meccanico: nulla si muove. Forze in equilibrio Equilibrio chimico: composizione costante Equilibrio termico: temperatura costante Equilibrio termodinamico: termico+chimico+meccanico Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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

Tipi di Trasformazione
Isoterma T = cost. Isobara p = cost. Isocora V = cost. Adiabatica q = 0 Isoentropica S = cost. ... Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine

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