Appunti di fisica

Termodinamica

Temperatura

Calore e temperatura non sono la stessa cosa: il calore è l’energia termica che viene trasferita tra un sistema e l’ambiente quando si trovano a temperature differenti, mentre la temperatura è la proprietà che descrive in maniera quantitativa lo stato termico di un corpo. Si misura con il termometro, che sfrutta le proprietà di espansione dei metalli (il mercurio in questo caso) associato a una scala graduata formata a partire da un punto fisso.

Questo si ottiene quando un sistema si trova in uno stato di equilibrio facilmente riproducibile, a cui viene associato un valore arbitrario, che per la temperatura corrisponde al punto triplo dell’acqua, cioè la temperatura in cui l’acqua coesiste in forma solida, liquida e gassosa, ed è di 273,16K. La temperatura è una delle grandezze fondamentali del SI, ha un limite di bassa temperatura chiamato zero assoluto/kelvin, ed ha due scale di misurazione: Celsius e Fahrenheit.

Sistema termodinamico

Un qualunque sistema osservabile direttamente dai sensi umani è detto macroscopico, perché formato da un elevato numero di particelle microscopiche, ma ciò che si studia sono le caratteristiche, o variabili, dell’intero sistema. Queste variabili sono dette variabili termodinamiche e i sistemi che descrivono sono detti quindi sistemi termodinamici.

Si dividono in variabili estensive, che esprimono proprietà globali come massa e volume, e variabili intensive che esprimono proprietà locali variabili all’interno del sistema, come pressione e temperatura. Un sistema termodinamico deve essere definito in rapporto all’ambiente circostante, ed in base a come interagisce con quest’ultimo si definisce:

• Aperto, quando scambia energia e materia.
• Chiuso, quando scambia energia ma NON materia.
• Isolato, quando non scambia né energia né materia.

Inoltre, un sistema termodinamico chiuso si può dire in equilibrio quando rispetta determinate condizioni:

• Equilibrio meccanico, quando le forze agenti sul sistema e quelle esercitate da esso sull’ambiente sono in equilibrio.
• Equilibrio chimico, quando non avvengono reazioni o trasferimenti di materia.
• Equilibrio termico, quando la temperatura è uguale in tutto il sistema e tra il sistema e l’ambiente.

Termodinamica

È proprio lo studio di tutti quei meccanismi attraverso i quali un sistema può variare, come per esempio l’interazione tra due corpi a temperatura diversa. In questo caso ci sarà un cambiamento di stato causato dallo scambio di calore. La termodinamica si basa su 4 principi fondamentali, verificabili sperimentalmente.

Principio zero della termodinamica

Chiamato anche principio dell’equilibrio termico, afferma che quando due corpi hanno temperatura uguale sono in equilibrio termico. Ovviamente è valido anche il viceversa e cioè se due corpi si trovano in equilibrio termico, le loro temperature sono uguali.

Contatto termico

Due sistemi possono entrare in contatto tra loro attraverso una parete che può avere proprietà differenti:

• Parete diatermica, fa passare il calore e quindi i sistemi raggiungono l’equilibrio termico.
• Parete adiabatica, non fa passare il calore e quindi i due sistemi non raggiungono l’equilibrio termico e mantengono temperature diverse.

Quando un sistema è circondato da pareti adiabatiche, si chiama sistema adiabatico.

Dilatazione termica

Quando dei corpi, sia solidi che liquidi, variano di temperatura, vanno incontro a una variazione delle loro dimensioni. Questa dilatazione può essere:

• Lineare, quando varia la lunghezza.
• Superficiale, quando varia l’area.
• Volumica, quando varia il volume.

Ogni corpo possiede un coefficiente di dilatazione lineare, superficiale o volumico.

Calore

Il calore è l’energia che viene trasferita tra un sistema e l’ambiente quando si trovano a temperature differenti. Il trasferimento può essere positivo, quando l’energia passa dall’ambiente al sistema, o negativo quando passa dal sistema all’ambiente. Esso si misura in caloria, che è definita come la quantità di calore capace di aumentare di 1° la temperatura di 1 gr di acqua. Nel SI però si calcola col joule, che è l’unità di misura di tutte le forme di energia. 1 cal = 4,186 J.

Capacità termica

È la costante di proporzionalità tra la quantità di calore e la variazione di temperatura prodotta dal calore in un corpo.

Calore specifico

Ogni materiale ha una capacità termica diversa, ma anche due corpi dello stesso materiale, ma con massa diversa, avranno capacità termica diversa. Questo perché quest’ultima varia in proporzione alla massa, e assume il nome di calore specifico. Possiamo definire quindi il calore specifico come la capacità termica per unità di massa di un corpo.

Stati della materia e calore latente

Gli stati della materia sono:

• Solido, quando un corpo ha una forma e volume propri.
• Liquido, quando un corpo ha un volume proprio ma assume la forma del suo recipiente.
• Gassoso o aeriforme, quando è privo di forma e assume il volume del recipiente.

Per far avvenire un cambio di stato, c’è bisogno di una certa quantità di calore per unità di massa. Questa quantità è chiamata calore latente.

Primo principio della termodinamica

Chiamato anche principio di conservazione dell’energia, afferma che durante una trasformazione termodinamica, la variazione di energia interna di un sistema corrisponde alla differenza tra il calore e il lavoro scambiati con l’ambiente. Questa è la formula: ΔU = Q − W.

Con trasformazione termodinamica si intende il passaggio di un sistema da uno stato termodinamico iniziale ad uno finale tramite uno scambio di calore e lavoro. Le quantità di calore e lavoro scambiate variano in base al tipo di trasformazione. Uno stato termodinamico si descrive mediante la pressione, il volume e la temperatura, ed i vari tipi di trasformazione termodinamica sono legati proprio a quali variabili di stato variano:

• Trasformazione adiabatica, il sistema è isolato e non vi è alcun trasferimento di calore con l’ambiente: Q=0, ΔU = -W.
• Trasformazione isoterma, il sistema non è isolato e la temperatura si mantiene costante: ΔU = 0.
• Trasformazione isocora, il sistema ha volume costante, quindi non può compiere lavoro: W=0, ΔU = Q.
• Trasformazione isobara, il sistema si trasforma ma mantiene la pressione costante: ΔU = Q - W.

Trasmissione del calore

Il calore può essere trasmesso in vari modi: conduzione, convezione e irraggiamento.

Conduzione

Consiste nello scambio diretto di energia tra due corpi messi a contatto, ed il calore si trasmette dal corpo con temperatura maggiore a quello con temperatura minore. Il calore trasmesso in un certo tempo è determinato dalla formula: ΔQ = kA(T1 − T2)L, dove 'k' è la costante di conducibilità termica di un corpo, 'A' è l’area dell’oggetto, 'T1' e 'T2' le temperature dei due oggetti e 'L' la distanza tra le estremità.

Convezione

Consiste nel trasferimento di calore attraverso lo spostamento di...