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Temperatura e Calore

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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 grandezze “macroscopiche” (valori medi su un gran numero di particelle): Pressione Volume Temperatura

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Presentation Transcript
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Temperatura e Calore

  • La 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.
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°C

100°

50°

Temperatura

  • Rappresenta la 5agrandezza 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:

Proprietà termometriche

Dilatazione termica: V(t) = Vo (1 + t)

=coefficiente di dilatazione termica

In un tubo: h(t) = ho (1 + t)

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°C

42°

41°

40°

39°

38°

37°

36°

Termometro clinico

  • Liquido termometrico: mercurio
  • La strozzatura presente nella canna serve per conservare tmax dopo che il termometro è rimosso dal paziente
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Scale termometriche

°F

K

°C

Scala normale o CelsiusoC

0°  100° H2O

200°

400°

373°

212°

te

100°

Scala FarenheitoF

300°

32°

273°

tf

200°

–148°

–100°

100°

–328°

Scala assoluta o Kelvin K

Unità di misura del S.I.

–200°

–459.4°

–273°

t

T

scale centigrade

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Interpretazione microscopica

  • 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 Ep

La temperatura di un corpo è correlata al livello medio di agitazione termica nella materia

Nota: si definisce energia interna U di un sistema la quantità:

U è quindi funzione della temperatura.

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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

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Calore Specifico e Capacità Termica

La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massam affinchè la sua temperatura passi da T1 a T2 è

  • 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

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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.:

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Q1

Q2

t1

t2

tf

tf

Equilibrio Termico

Due corpi a temperature t1e t2(t2 > t1) sono posti in contatto termico, isolati dall’ambiente circostante

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

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solidificazione

solido

liquido

fusione

Trasformazioni di fase

Corrispondono a transizioni tra i tre diversi stati di aggregazione della materia

condensazione

liquido

gas

evaporazione

  • Avvengono a temperatura costante, caratteristica della sostanza in esame;
  • Sono accompagnate da
  • - assorbimento di calore (endotermiche) - liberazione di calore (esotermiche)

Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche !

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Calore latente

Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il caloreQ necessario alla fusione (evaporazione) di una massam è:

Q = kf m

T = costante

Fusione

kf = calore latente di fusione

es. kf (H2O) = 80 cal/g

Q = ke m

Evaporazione

T = costante

kf = 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

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Esempio:

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

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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

(RADIAZIONE TERMICA)

evaporazione

(sistemi biologici)

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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.

fornello

In generale, la quantità di caloreQ scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza ditemperaturaT tra radiatore e stanza:

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Conduzione

Meccanismo di propagazione del calore nei solidi

S

T1

T2

Q

K = conducibilità termica

d

A temperatura ambiente:

MATERIALI DIVERSI K (kcal m–1 s–1 °C–1)

rame

ghiaccio

acqua

9.2 10–2

5.2 10–4

1.4 10–4

pelle secca

polistirolo

aria

0.6 10–4

9.3 10–6

5.5 10–6

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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 dall’ambiente circostante. Si ha:

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Metabolismo del corpo umano

Uomo

Organismo omotermo

D

»

»

»

U

0

t

37°C

D

t

0

produzione energia

C

carboidrati

ossidazione di :

G

grassi

processi esotermici

P

proteine

consumo di O2

interna

Q

D

U > 0

Q ambiente

D

U < 0

Il corpo deve cedere calore all’ambiente per mantenere costante la temperatura corporea

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Evaporazione

Meccanismo adottato nei sistemi biologici

Calore latente di evaporazione H2O

(t = 37°C) » 580 cal g–1

  • Processo endotermico passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora;
  • Non dipende dalla differenza di temperatura T.

Esempio

evaporazione di 100 g H2O

58 kcal = 242.5 kJ

metabolismo basale = M.B. » 50 kcal ora–1 m–2

(minima quantità di energia per garantire le funzioni vitali)

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Trasmissione del calore nel corpo umano

• conduzione

trasmissione interna ed esterna

Inefficaci se T=0

esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è maggiore della temperatura corporea

contatto tra organi interni

contatto superficie cutanea con aria e vestiti

• irraggiamento

trasmissione esterna

emissione termica

• convezione

trasmissione interna

diffusione con distribuzione omogenea

del calore interno tramite sangue

Efficace anche se T=0

più efficace se l’ambiente esterno è secco

  • evaporazione

trasmissione esterna

sudorazione e respirazione

–1

»

H

O (t = 37°C)

580 cal g

2

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perdita di calore

kcal

ora

100

perdita totale

evaporazione

50

conduzione

irraggiamento

t

o

22°

°C

34°

26°

30°

Termoregolazione corporea

  • 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

ad