Appunti: Termologia e termodinamica

Termodinamica

Zero legge, temperatura e termometro

Quando un termometro, che può essere identificato come dispositivo misuratore di una grandezza termica, viene posto in stretto contatto con un corpo, dopo un tempo si osserva che il valore raggiunge un equilibrio stabile della temperatura.

Il raggiungimento della stessa temperatura tra due corpi A e B, in termodinamica, è detto equilibrio termico. Zerolegge: se due corpi si trovano singolarmente in reciproco equilibrio termico con un terzo corpo, allora essi sono in equilibrio termico tra loro e hanno una stessa temperatura.

Scala Kelvin e misura delle temperature

La scala Kelvin misura delle temperature assolute e, in questa scala, è assegnata al punto triplo dell'acqua, cioè alla coesistenza dei tre stati di aggregazione dell'acqua, una temperatura pari a 273.16 K.

Inoltre T è una temperatura assoluta, il Kelvin è una scala assoluta e il valore 1 K è pari a 1/273.16 della differenza tra lo zero assoluto e il punto triplo dell'acqua.

Termometro a gas a volume costante

Il termometro a gas a volume costante si basa sulla pressione esercitata dal gas, dove il volume è costante. Esso costituisce lo standard termometrico sul quale vengono tarati tutti i termometri.

La temperatura di un corpo isolato è definita come T = C p, dove C è una costante e p è la pressione del gas nel bulbo a contatto con la pressione atmosferica.

Dove pgh è la pressione ricavata dalla massa del mercurio nel manometro; p del gas contenuto nel bulbo. Immergendo il bulbo nel punto triplo e con cura a un'altra temperatura qualsiasi, avremo quindi C p per 273.16.

Scale Celsius e Fahrenheit

Misura della temperatura: esistono altre scale di temperatura, Celsius e Fahrenheit.

Nella scala Celsius la temperatura è misurata in gradi centigradi o grado centigrado: T = t + 273.15, cioè 1 K corrisponde a 1 grado Celsius, dove t è la temperatura della scala Celsius e T è la temperatura assoluta.

Nella scala Fahrenheit, lo 0 e 212 corrispondono nella scala Celsius a 32 e 100; tale scala ha corrispondenza F = 32 + 1.8 C.

Dilatazione termica

Dilatazione lineare

Dilatazione di una barra metallica: se viene variata la temperatura, la sua lunghezza varia di una quantità. La dilatazione lineare è data dalla lunghezza e dalla variazione di temperatura, dove il coefficiente di dilatazione lineare dipende dalla sostanza.

Il valore a è in K, dipende dalla temperatura e in genere può essere spesso considerato costante per temperature ordinarie.

Dilatazione volumica

Si dilatano anche tutte le dimensioni del solido: il suo volume cambia al variare della temperatura. La dilatazione volumica è AV = VBAT, dove il coefficiente di dilatazione volumica ha in un solido il valore circa 3 o 4 per a, in genere.

Per quanto riguarda l'acqua, invece, si dice che al di sotto dei 4 C, all'aumentare di T, essa si contrae, mentre per temperature superiori ai 4 C si dilata.

Calore e temperatura

Trasferimento di energia

La direzione del trasferimento di energia dipende dalle temperature del sistema e dell'ambiente: Ta e Ts. Q è il calore, spesso quantificato anche in joule; 1 cal = 4.186 J.

L'assorbimento del calore da parte di solidi e liquidi, con CCT, se Q è il calore scambiato con l'ambiente dal sistema, dove c è la costante di proporzionalità e At è la variazione della temperatura del sistema.

Capacità termica e calore specifico

La capacità termica di qualsiasi corpo omogeneo è proporzionale alla sua massa. C del corpo è il calore specifico della sostanza; se m è la massa, la capacità termica corrisponde al prodotto della massa per il calore specifico.

Il calore specifico è misurato in J/kg K oppure in cal/kg C, e la capacità termica in J/K o in cal/C. In certi contesti è utile riferirsi a una mole di sostanza, cioè a una quantità di sostanza pari a 6.022 10²³.

In tal caso parleremo di calore specifico molare, detto anche c molare, corrispondente per esempio a Na. Il numero 6.022 10²³ è il numero di Avogadro.

Calore scambiato e cambiamenti di fase

Cambiamenti di fase: ci sono casi particolari in cui il calore scambiato non produce variazioni di temperatura. Ciò avviene all'atto dei cambiamenti di stato, in cui si deve trasferire af.