La temperatura

La teoria cinetica dei gas di Boltzmann e il concetto di temperatura

Il fatto che non esistano temperature inferiori allo zero assoluto, cioè 0K, è perfettamente spiegato dalla teoria cinetica dei gas di Boltzmann. Egli fu il primo a dimostrare che l'energia cinetica media delle molecole all'interno di un gas è direttamente proporzionale alla temperatura in Kelvin. K è la costante di Boltzmann.

Questo significa che la temperatura non è altro che il grado di agitazione termica delle molecole all'interno di un gas. Quindi le nostre sensazioni di caldo o di freddo non sono altro che sensazioni macroscopiche che a livello microscopico si riferiscono al livello di agitazione molecolare.

Il concetto di temperatura non va confuso con il concetto di calore. Mentre la temperatura rappresenta uno stato termico e quindi la tendenza da parte di un corpo a scambiare calore con un altro corpo con il quale è a contatto, il calore è energia.

Un'IL CALORE temperature diverse,Il calore è una forma di energia che viene scambiata fra corpi a e sinel passaggio da un corpo ad un altro.manifesta soloCalore ed energia sono equivalenti, infatti il calore si misura in joules. Esiste, però, anche lacaloria, un' unità di misura non appartenente al sistema internazionale,di un gradoUna caloria (1 cal) rappresenta l'energia necessaria per innalzare la temperaturaun grammo di acquadi (da 14,5° C a 15,5°C).

PRINCIPIO DI EQUIVALENZA TRA CALORE E LAVORO.Se in una trasformazione parte dell'energia meccanica viene spesa per creare energiatermica, il loro rapporto è costante. Questo principio è stato verificato sperimentalmente daJoule. fattore di conversioneTale esperienza gli permise di pervenire al tra colonia e joule:L 4,186cos= = =- JtQ1 cal = 4,186 JDa cui si può affermare cheIl colore può propagarsi attraverso diverse modalità:

CONDUZIONE:

caratteristica dei corpi solidi e non è accompagnata da spostamento di materia.

CONVEZIONE:

• caratteristica dei fluidi ed è accompagnata da spostamento di materia, dovuto alle correnti convettive.

IRRAGGIAMENTO:

• propagazione del calore mediante onde elettromagnetiche e non è necessaria la presenza di un mezzo materiale poiché le onde elettromagnetiche si propagano anche nel vuoto.

CAPACITÀ TERMICA E CALORE SPECIFICO.

CAPACITÀ TERMICA

La capacità termica di un corpo è l'energia termica (il calore) che esso deve assorbire per aumentare la sua temperatura di 1°C (o di 1K).

E = ΔQ

C = ΔQ/ΔT

CALORE SPECIFICO

Il calore specifico di una sostanza è l'energia termica (il calore) che essa deve assorbire per aumentare la sua temperatura dell'unità di massa di 1°C (o di 1K).

C = ΔQ/(mΔT)

- - -c c⎥⎢⎣ ⎦m ⎡ ⎤· ΔT ·kgm Km⎢ ⎥⎣ ⎦· · · ·⇒= = =ΔQ ΔT ΔTC Cm mc cIl colore specfico dell'acqua è: -1 0· ·1ca 1l= -c gOH C2EQUILIBRIO TERMICO.principio di equilibrio termico principio zeroIl viene anche chiamato della termodinamica.Esso viene così chiamato poiché si vuole sottolineare l'importanza di tale concetto.Tale principio afferma che se due oggetti con temperature diverse vengono posti a contatto,assumono una stessa grandezza fisica,dopo un certo intervallo di tempo, essi ovvero ladue casi:temperatura. Distinguiamostessa natura termica,• I due oggetti hanno la ovvero lo stesso colore specifico. Intemperatura di equilibrioquesto caso la raggiunta dal sistema vale:· ·+m mt t1 1 2 2=-t e +m m1 2diverse natura termica,• I due oggetti hanno ovvero diverso colore specifico. In questotemperatura di equilibriocaso la raggiunta

del sistema termodinamico possono essere di diversi tipi: - Trasformazione isocora: il volume del sistema rimane costante durante la trasformazione. - Trasformazione isobara: la pressione del sistema rimane costante durante la trasformazione. - Trasformazione isotermica: la temperatura del sistema rimane costante durante la trasformazione. - Trasformazione adiabatica: non avviene scambio di calore tra il sistema e l'ambiente durante la trasformazione. - Trasformazione reversibile: la trasformazione può essere invertita senza causare variazioni irreversibili nel sistema. - Trasformazione irreversibile: la trasformazione non può essere invertita senza causare variazioni irreversibili nel sistema. Le trasformazioni termodinamiche sono descritte da equazioni matematiche che coinvolgono le grandezze fisiche del sistema, come la pressione, il volume e la temperatura. Queste equazioni sono chiamate equazioni di stato e permettono di studiare il comportamento del sistema termodinamico. Le funzioni di stato sono grandezze che dipendono solo dallo stato termodinamico del sistema e non dal percorso seguito per raggiungerlo. Alcune delle principali funzioni di stato sono l'energia interna, l'entalpia, l'entropia e la temperatura. La termodinamica è una disciplina fondamentale per comprendere i fenomeni legati al calore e all'energia, ed è utilizzata in molti settori, come l'ingegneria, la chimica e la meteorologia.sull'ambiente. Quindi, per riassumere: - Il calore è considerato positivo se il sistema lo acquista e negativo se lo cede. - Il lavoro è considerato negativo se viene compiuto dall'ambiente sul sistema e positivo se viene compiuto dal sistema sull'ambiente.sull'ambiente. Le trasformazioni termodinamiche sono influenzate da tre fattori principali: temperatura, pressione e volume, che possono variare in molti modi diversi. Per rappresentare graficamente tali variabili, si utilizza un sistema cartesiano, dove l'asse delle ordinate rappresenta la pressione e l'asse delle ascisse rappresenta il volume. In questo modo è possibile ottenere diversi tipi di trasformazioni termodinamiche. La trasformazione isobara avviene a pressione costante e nel piano pV è rappresentata da rette orizzontali. La trasformazione isocora avviene a volume costante e nel piano pV è rappresentata da rette verticali. La trasformazione isoterma avviene a temperatura costante e nel piano pV è rappresentata da iperboli equilatere. Le trasformazioni adiabatiche avvengono senza scambio di calore con l'ambiente e nel piano pV sono rappresentate da curve simili alle isoterme.ma più pendenti. REVERSIBILE Una trasformazione è reversibile se: • le cause che provocano tale trasformazione sono di entità infinitamente piccola; • la trasformazione può essere vista come una successione di stati di equilibrio del sistema nei quali le funzioni di stato sono definite; • la trasformazione può avvenire in entrambi i versi. ATTRITO IRREVERSIBILI. La presenza di attrito rende le trasformazioni irreversibili. PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA L'energia non si crea e non si distrugge ma può solo passare da una forma a un'altra. Il primo principio della termodinamica si può esprimere mediante la relazione: ΔU = Q - L • ΔU è l'energia interna del sistema; è una funzione di stato; • Q è il calore scambiato tra sistema e ambiente; è una funzione di stato; • L è il lavoro scambiato tra sistema e ambiente; è una funzione di stato. FUNZIONE DI STATO = funzione che dipende solo dallo stato attuale del sistema e non dal percorso seguito per raggiungerlo.stato termodinamico del sistema. Nei gas ideali l'energia interna dipende esclusivamente dalla temperatura del gas. Dato un sistema termodinamico gassoso, il primo principio diventa: TRASFORMAZIONE ISOTERMA. 0 ⇒= ΔU = Q - L L'energia interna dipende dalla temperatura. Questo perché se la seconda è costante, lo sarà anche la prima. TRASFORMAZIONE ADIABATICA. 0 ⇒ += ΔU = Q - L Non vi è scambio di calore con l'ambiente. Questo perché nelle trasformazioni adiabatiche il calore è pari a 0. TRASFORMAZIONE ISOCORA. 0=ΔV 0· ⇒= = ΔV ΔU = Q - L Il volume è pari a 0, quindi anche il lavoro sarà pari a 0. SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Il secondo principio della termodinamica descrive la direzione naturale di evoluzione dei sistemi termodinamici e delle trasformazioni energetiche. Esso afferma che mentre è sempre possibile convertire l'energia meccanica in calore, la

trasformazione inversa non è sempre possibile (o meglio non è possibile farlo integralmente e in tutte le situazioni).

ENUNCIATO SECONDO LORD KELVIN: è impossibile far compiere a una macchina termica una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasformare integralmente in lavoro il calore assorbito da una singola sorgente termica.

ENUNCIATO SECONDO CLAUSIUS: spontaneamente il calore passa dai corpi caldi ai corpi freddi e non viceversa.

ENUNCIATO SECONDO LA FORMULAZIONE DELLA FISICA MODERNA: ogni trasformazione spontanea comporta un aumento di entropia. In un sistema isolato, l'entropia termica è una funzione di stato, ovvero una funzione che dipende solo dallo stato termodinamico di un sistema.

⎧ ΔQ⎪ =-