temperatura e calore la materia è un sistema fisico a molti corpi gran numero di molecole (n a...
TRANSCRIPT
![Page 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/1.jpg)
Temperatura e CaloreLa materia è un sistema fisico a “molti corpi”
• Gran numero di molecole (NA=6,02·1023) 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.
![Page 2: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/2.jpg)
Temperatura
• Rappresenta la 5a 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 dell’equilibrio 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) = Vo (1 + t)
=coefficiente di dilatazione termica
In un tubo: h(t) = ho (1 + t)
Proprietà termometrich
e
![Page 3: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/3.jpg)
Termometro clinico
37°
38°
41°
36°
39°
40°
42°
°C• Liquido termometrico: mercurio
• La strozzatura presente nella canna serve per conservare tmax dopo che il termometro è rimosso dal paziente
![Page 4: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/4.jpg)
Scale termometriche
–200°
–100°
100°
200°
°C
t
0°
0°
100°
200°
300°
400°
K
T
373°
273°
–273°
scale centigrade
–459.4°
–328°
–148°
32°
212°
°F Scala normale o Celsius oC
Scala Farenheit oF
Scala assoluta o Kelvin K
Unità di misura del S.I.
0° 100° H2O
C)(t5
932F)(t ooo
273,15C)(tK)( o T
C)(tK)( oT
te
tf
![Page 5: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/5.jpg)
Nota: si definisce energia interna U di un sistema la quantità:
U è quindi funzione della temperatura.
Nella materia (N = numero di molecole Na=6,02·1023):
• Moto di “agitazione termica” di atomi e molecole:
moto disordinato (gas) vibrazioni intorno alle posizioni di equilibrio (solidi)
energia cinetica Ek
• Energia potenziale e di legame:
energia potenziale EpLa temperatura di un corpo è correlata al livello medio di agitazione termica nella
materia
)(U pparticelle k EE
Interpretazione microscopica
![Page 6: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/6.jpg)
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 l’energia 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 H2O da 14,5 oC a 15,5 oC.
L’equivalente meccanico della caloria è : 1 cal = 4,186 J
Nota: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal
![Page 7: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/7.jpg)
Calore Specifico e Capacità Termica
La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massa m affinchè la sua temperatura passi da T1 a T2
èTmcTTmcQ )( 12
c = “calore specifico”
• quantità caratteristica di ogni materiale (vedi tabella...)
• Unità di misura (S.I.): J/kg·K (molto utilizzata cal/g·oC )
C=c·m = “capacità termica”
• dipende dalla massa dell’oggetto
• Unità di misura (S.I.): J/K (molto utilizzato cal/oC o kcal/oC
Ricorda: T (Kelvin) = t (Celsius)
Esempio:
1 cal/g·oC = 1 kcal/kg·oC = 1 cal/g·K = 4,186·103 J/kg·K
Cal
![Page 8: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/8.jpg)
material
e
c (cal/g·oC
)
material
e
c (cal/g·oC
)acqua 1,0 glicerina 0,58
alluminio 0,22 ferro 0,83
alcool 0,55 rame 0,09
ghiaccio 0,5 mercurio 0,03
corpo umano
0,83 aria 0,23
Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente
![Page 9: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/9.jpg)
Esempio:Quante calorie occorrono per innalzare di t=10oC un volume pari a 3 litri di acqua ?
Esprimere il risultato nelle unità del S.I.:
30kcal. QR
J10125,58. 3QR
![Page 10: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/10.jpg)
t1 t2
Q1 Q2
Due corpi a temperature t1 e t2 (t2 > t1) sono posti in contatto termico, isolati dall’ambiente
circostante
21 QQ )()( 222111 ff ttmcttmc
Equilibrio Termico
tf tf
Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di
equilibrio tf
Applicando la conservazione
dell’energia si ottiene la temperatura di equilibrio
tf
2211
222111
mcmc
tmctmct f
![Page 11: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/11.jpg)
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)
liquido gascondensazione
evaporazione
solido liquidofusione
solidificazione
Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche !
![Page 12: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/12.jpg)
Calore latente
Fusione Q = kf m T = costantekf = calore latente di fusione
es. kf (H2O) = 80 cal/g
Evaporazione
Q = ke m T = costantekf = calore latente di evaporazione
es. ke (H2O) = 606,5-0.695·t cal/g
Alla temperatura corporea t=37 oC:
ke (H2O) = 580 cal/g
Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il calore Q necessario alla fusione (evaporazione) di una
massa m è:
![Page 13: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/13.jpg)
Esempio:Quante calorie occorrono per fondere m=10g di ghiaccio ?
0,8kcal800cal. QR
![Page 14: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/14.jpg)
Trasmissione del calore
meccanismi di trasmissione del calore
convezionePROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA
conduzionePROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA
irraggiamentoEMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE
evaporazione (sistemi biologici)
(RADIAZIONE TERMICA)
![Page 15: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/15.jpg)
ConvezioneMeccanismo 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.
TSQ
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
![Page 16: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/16.jpg)
Conduzione
Meccanismo di propagazione del calore nei solidi
MATERIALI DIVERSI K (kcal m–1 s–1 °C–1)
rameghiaccioacqua
9.2 10–2
5.2 10–4
1.4 10–4
pelle seccapolistiroloaria
0.6 10–4
9.3 10–6
5.5 10–6
T1 T2
d
Td
SKTT
d
SK
t
Q
)( 12
K = conducibilità termica
S
A temperatura ambiente:
Q
![Page 17: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/17.jpg)
Irraggiamento termicoTrasmissione 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 dall’ambiente circostante. Si ha:
TKTTK
QQQ
ba
)(assorbitoirradiato
![Page 18: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/18.jpg)
Uomo
t 37°Ct 0 U 0
processi esotermici
produzione energiaossidazione 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 all’ambiente per mantenere costante la temperatura corporea
consumo di O2
![Page 19: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/19.jpg)
Calore latente di evaporazione H2O
(t = 37°C) 580 cal g–1
evaporazione di 100 g H2O 58 kcal = 242.5 kJEsempio
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.
![Page 20: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/20.jpg)
• 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 2O (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 l’ambiente esterno è
secco
![Page 21: 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](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013100/5542eb66497959361e8d24a2/html5/thumbnails/21.jpg)
o22° 26° 30° 34°
50
100
kcalora
perdita di calore
perdita totale
evaporazione
conduzioneirraggiamento
t°C
Bassa temperatura ambiente (T<< 37 oC):
• vasocostrizione
• brividi, pelle d’oca
Alta temperatura (T 37 oC) o sforzo fisico:
• vasodilatazione
• sudorazione
Processi regolati
dall’ipotalamo
Termoregolazione corporea