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


Temperatura e calore

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.


  • Temperatura e calore

    °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)


    Temperatura e calore

    °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


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    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.


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente


    Temperatura e calore

    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.:


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    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 !


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    Esempio:

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


    Temperatura e calore

    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)


    Temperatura e calore

    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:


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    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:


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    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)


    Temperatura e calore

    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


    Temperatura e calore

    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


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