LA TEMPERATURA
IL MODELLO MICROSCOPICO DELLA MATERIA IL CALORE E I CAMBIAMENTI DI STATO
LA TERMODINAMICA L’ENTROPIA
LA TEMPERATURA
• La temperatura è una grandezza fisica che indica lo stato termico di un corpo o di un sistema. Lo strumento di misura si chiama
termometro che fu inventato da Galileo Galilei.
Scale di temperatura
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Le scale di temperatura sono tre:Celsius(°C), Kelvin(K) e
Fahrenheit(°F) ma l’unità di misura riconosciuta dal S.I. è il Kelvin.
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Come passare da una scala all’altra:L’equilibrio termico e il principio zero della termodinamica
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Due corpi sono in equilibrio termico tra loro quando hanno la stessa temperatura. Esso gode di una proprietà nota comeprincipio zero della termodinamica : se ciascuno di due corpi, A e B, è in equilibrio termico con un terzo corpo C, allora A e B sono in equilibrio termico tra loro.
La dilatazione termica ( lineare, volumica, superficiale )
• I corpi solidi tendono a dilatarsi quando sono riscaldati e a contrarsi quando sono raffreddati; si osserva sperimentalmente che la
variazione di lunghezza al variare della temperatura segue la legge della dilatazione lineare.
La dilatazione volumica
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La variazione del volume di un corpo solido o di un corpo liquido in seguito ad una variazione di temperatura prende il nome di dilatazione volumica.La dilatazione superficiale
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La variazione di superficie di un corpo solido in seguito ad una variazione di temperatura prende il nome didilatazione superficiale.
Prima legge di Gay-Lussac
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Si definisce trasformazione isobara una trasformazione durante la quale la pressione del gas rimane costante e si ha unavariazione di volume e temperatura.
Seconda legge di Gay-Lussac
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Si definisce trasformazione isocora una trasformazione durante la quale il volume rimane costante e variano la temperatura e la pressione.Legge di Boyle
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Si definisce trasformazione isoterma una trasformazionedurante la quale la temperatura rimane costante e variano il volume e la pressione.
Il gas perfetto
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Un gas ideale che obbedisce esattamente alle due leggi di Gay- Lussac e alla legge di Boyle si chiama gas perfetto.p
o v
Il moto Browniano
• Nel 1827 il botanico Robert Brown osservò con un microscopio che un granello di polline sospeso nell’acqua si muove incessantemente, in modo casuale e disordinato. Dal suo nome questo fenomeno è detto moto browniano.
• Moto di un granello di polvere bombardato dalle molecole di acqua.
L’energia cinetica media
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L'energia cinetica media è la media aritmetica di tutte le energie cinetiche delle singole molecole. Ricordiamo chel'energia cinetica di una particella di massa m e velocità v è K = ½ m v2.
La pressione del gas perfetto
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La pressione del gas perfetto è dovuta agli urti delle molecole contro le pareti del recipiente. Essa collega sia grandezze macroscopiche (p e V) che microscopiche (N e Kmedia).Il calcolo della pressione del gas
perfetto
continua
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La temperatura dal punto di vista microscopico
L’energia interna
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L'energia interna U di un sistema è l'energia complessiva di tutte le sue componenti microscopiche.IL CALORE E I CAMBIAMENTI DI STATO
Il mulinello di Joule
La capacità termica e il calore specifico
Il Calorimetro
• Un calorimetro è un dispositivo utilizzato in calorimetria per
misurare il flusso di calore durante una trasformazione, come calori specifici, calori latenti di fusione/ebollizione e calori di reazione. Un calorimetro consiste in un termometro attaccato ad un contenitore metallico pieno d'acqua sospeso su una fonte di calore.
La temperatura di equilibrio
• Legge dell'equilibrio termico: quando due corpi costituiti dallo stesso materiale, che si trovano a temperature iniziali diverse, vengono messi in condizione di interagire termicamente, subiscono variazioni di temperatura che sono inversamente proporzionali alle loro masse.�2=�2·�2·(� 2− ��) |Q1| = |Q2|
Casi particolari:
c1 = c2 = c m1= m2=m c1 = c2 = c ed m1=m2=m
� 1=� 1 · � 1· (�� −� 1)
Conduzione, convenzione e irraggiamento
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conduzione: avviene quando si è in presenza di un gradiente di temperatura in un mezzo, ovvero con le due superfici inquestione separate dal vuoto. stazionario, il quale può essere un solido oppure un fluido;
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convezione: quando la trasmissione di calore si ha tra una superficie e un fluido in movimento, i quali si trovano atemperature differenti;
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irraggiamento: avviene tra due superfici a differentetemperatura, tramite emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche; l'irraggiamento avviene anche
senza la presenza di un mezzo interposto continua
Passaggi tra stati di aggregazione
La termodinamica
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La termodinamica è quella branca della fisica che studia edescrive le trasformazioni, dette trasformazioni termodinamiche, subite da un sistema fisico, detto sistema termodinamico, in
seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di massa ed energia.
Si possono distinguere vari tipi di sistemi, in dipendenza dal modo di scambiare energia con l'esterno:
• sistemi aperti: scambiano energia (calore e lavoro) e massa con l'ambiente.
• sistemi chiusi: scambiano energia, ma non massa con l'ambiente.
• sistemi isolati: non scambiano né energia né massa con l'ambiente; l'universo è quindi per definizione un sistema isolato, non essendoci un "ambiente esterno" di riferimento con cui scambiare massa o energia.
Il primo principio della termodinamica
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Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia può essere convertita da una forma all’altra, ma non può essere né creata né distrutta. L’energia interna (U) di un sistema è una grandezza estensiva che corrisponde alla somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale di tutte le particelle checompongono il corpo o il sistema.
ΔU = q + w
Lavoro( J )Calore ( J ) Variazione di
energia interna ( J )
La quantità di energia scambiata tra sistema e
ambiente è uguale alla differenza tra l’energia
interna dei prodotti e l’energia interna dei
reagenti:
ΔU = Uprodotti – Ureagenti L’energia dei sistemi
isolati rimane costante: ΔU = 0.
Il secondo principio della termodinamica
• Mentre la trasformazione di lavoro in calore è sempre possibile , il processo inverso è possibile solo se vengono rispettate alcune condizioni, stabilite dal secondo principio della termodinamica, una legge che si può esprimere in modi diversi. I due più noti enunciati di tale principio sono quelli di Kelvin e di Clausius.
ENUNCIATO DI KELVIN È impossibile realizzare una
trasformazione il cui unico risultato sia quello di convertire in lavoro tutto il calore assorbito da una sola
sorgente.
ENUNCIATO DI CLAUSIUS È impossibile realizzare una
trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire
calore da un corpo ad un altro avente una temperatura
maggiore o uguale a quella del primo.
Trasformazioni reali e quasi-statiche
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Una trasformazione reale è un cambiamento che lo stato di un sistema termodinamico subisce in un tempo limitato.•
Una trasformazione quasi-statica è una trasformazione ideale ottenuta passando per un numero molto grande di stati diequilibrio intermedi, ognuno dei quali differisce pochissimo da quello precedente.
Grafico
trasformazione reale
Grafico
trasformazione quasi- statica
Trasformazioni adiabatiche e cicliche
• Le trasformazioni adiabatiche avvengono senza scambi di calore tra il sistema considerato e l’ambiente.
• Le trasformazioni cicliche hanno lo stato finale che coincide con quello iniziale.
Grafico
trasformazione ciclica
Grafico trasformazione adiabatica
Il lavoro negativo
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Il lavoro di un sistema termodinamico è negativo ogni volta che il sistema subisce una compressione, non necessariamenteisobara. Il lavoro totale è dato dalla somma di tutti i lavori.
Durante un’espansione
il lavoro di un sistema è
positivo
Durante una compressione
tale lavoro è negativo
L’entropia
• In meccanica statistica l'entropia (dal greco antico ἐν en, "dentro", e τροπή tropé, "trasformazione") è una grandezza (più in particolare una coordinata generalizzata) che viene interpretata come una misura del disordine presente in un sistema fisico qualsiasi, incluso, come caso limite, l'universo. Viene generalmente rappresentata dalla lettera S.
nel Sistema Internazionale si misura in joule fratto kelvin (J/K). Si può dire quindi che quando un sistema passa da uno stato di equilibrio ordinato a uno disordinato la sua entropia aumenta.
Approfondiamo Una proprietà fondamentale,
anche chiamata (impropriamente) postulato dell'entropia, afferma che in un sistema isolato l'entropia
S del sistema non diminuisce mai e, durante un ordinario processo
irreversibile, aumenta.
La fusione del ghiaccio avviene con aumento
dell'entropia.
Dato che nell’Universo avvengono continuamente trasformazioni
termodinamiche non reversibili, la sua entropia aumenta sempre. Infatti spesso si
parla di freccia del tempo per indicarne lo scorrere inevitabile, è quello a cui
corrisponde un aumento dell’entropia dell’Universo.
