2. 2
Sistemi
• In fisica si dice sistema l’oggetto o l’insieme di oggetti che si sta
osservando, tutto ciò che lo circonda è detto ambiente.
• Un sistema meccanico è un sistema nel quale vengono studiati pochi
oggetti, dei quali si trascura la composizione interna.
• Un sistema si dice termodinamico quando avvengono delle reazioni fisiche
o chimiche ed è separato dall’ambiente esterno. Esso è composto da
moltissimi elementi, e descriverlo da un punto di vista meccanico è
pressochè impossibile. Vengono tenute in considerazione alcune proprietà
come la temperatura, la pressione e il volume, esse sono dette variabili di
stato.
3. 3
La temperatura
• La temperatura è una misura dell’agitazione termica di una sostanza ovvero una misura
indiretta dell’energia cinetica media delle molecole che costituiscono la sostanza, essa si
misura con il termometro
• Indipendentemente dallo stato di aggregazione, le molecole sono soggette continuamente a
un moto di agitazione termica
• La temperatura è un indice dello stato di agitazione termica: più grande è l’agitazione
termica, maggiore è la temperatura.
• Equilibrio termico: due corpi a temperatura diversa posti a contatto, dopo un certo tempo
assumono una temperatura intermedia comune
• Il termometro è lo strumento che misura la temperatura
• Nel SI la temperatura si misura in kelvin (K), anche se è molto diffuso l’uso del grado celsius
o centigrado (°C).
4. 4
Stati di aggregazione della materia
Stato Solido
Struttura microscopica ordinata – Forze di coesione intense – Particelle oscillano intorno a
posizioni di equilibrio, senza spostarsi –
Stato Liquido
Struttura microscopica disordinata – Forze di coesione deboli –
Le molecole si muovono, ma le distanze reciproche variano poco
Stato Gassoso
Forze di coesione trascurabili – Le molecole occupano tutto lo spazio a disposizione –
Fortemente comprimibili
5. 5
Principi della termodinamica
• Principio zero:
Se un sistema A è in equilibrio termico con un sistema B e questo è in
equilibrio con un terzo sistema C, allora A è in equilibrio termico con C.
• Primo principio:
L’energia può essere convertita da una forma in un’altra ma non può
essere né creata né distrutta.
• Secondo principio:
Il calore non può spontaneamente fluire da un corpo freddo a uno più
caldo.
6. 6
6
La dilatazione termica
La dilatazione termica è un fenomeno fisico che
si realizza quando un corpo (liquido, gassoso o
solido) aumenta di volume all'aumentare della
temperatura.
Nei corpi solidi, avvengono tre tipi di
dilatazione: dilatazione cubica, dilatazione
superficiale e dilatazione lineare.
Nel caso dell’andamento della dilatazione sia
lineare, allora è definito il coefficiente di
dilatazione termica.
6
7. 7
La dilatazione lineare
Con l’aumento di temperatura, nei solidi aumentato tutte e tre le dimensioni spaziali. Tuttavia,
in un filo, in una barra sottile l’aumento è più evidente nel caso della lunghezza. Si parla in
questo caso di dilatazione lineare.
8. 8
La dilatazione lineare
Una variazione ΔT di temperatura provoca in una barra di lunghezza iniziale L0, una variazione
di lunghezza ΔL, espressa da:
dove a(alfa) indica il coefficiente di dilatazione lineare, che può essere
espresso anche con la lettera greca λ (lambda).
9. 9
La dilatazione superficiale
ΔS=σS1Δ
T
Nella dilatazione superficiale, l'aumento della superficie ΔS è direttamente proporzionale alla
superficie iniziale S1 e all'incremento di temperatura ΔT:
dove σ è il coefficiente di dilatazione superficiale. La superficie finale si trova
aggiungendo a quella iniziale S1 la dilatazione avvenuta.
10. 10
La dilatazione cubica
Per sapere quanto aumenta di volume un solido o un liquido quando viene riscaldato,
dobbiamo conoscere:
• il volume iniziale V0.
• l'aumento di temperatura ΔT.
• il coefficiente di dilatazione volumica k(o beta)
Avendo questi dati a disposizione, possiamo conoscere l'aumento di volume ΔV utilizzando la
legge della dilatazione volumica dei solidi e dei liquidi:
11. 11
Esiste inoltre una semplicissima relazione tra i coefficienti di dilatazione lineare, superficiale e
volumica:
Il coefficiente di dilatazione superficiale è il doppio del coefficiente di dilatazione lineare,
mentre il coefficiente di dilatazione cubica è il triplo del coefficiente di dilatazione lineare.
Ecco perché spesso i libri riportano la tabella dei valori del coefficiente di
dilatazione lineare per diversi materiali, ma non i rispettivi coefficienti di dilatazione volumica.
Dunque, se per un certo materiale si conosce il valore di α, allora è facile trovare anche i valori
dei coefficienti di dilatazione termica nel caso superficiale (σ) e volumico (β), ed è per questo
motivo che solitamente sui libri sono riportate tabelle contenenti solamente coefficienti di
dilatazione lineare.
12. 12
Ma perché si dilatano i corpi?
• Le sostanze sono composte da atomi. Quando due o più atomi si legano
assieme formano molecole. La molecola d’acqua è formata da due atomi di
idrogeno (simbolo H) e da un atomo di ossigeno (simbolo O).
• Tra le molecole di una sostanza agiscono le forze di coesione molecolare.
• Queste forze hanno intensità diversa a seconda dello stato di aggregazione in
cui si trova la sostanza
13. 13
Il calore
Il calore è energia che viene trasferita da un corpo ad un altro a causa di una
differenza di temperatura, esso dunque si sposta da un corpo a un altro
propagandosi per tutto il volume di esso.
Il passaggio di calore tra due corpi ha un verso privilegiato: avviene
spontaneamente dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa.
Una caloria è la quantità di calore che si deve fornire a un grammo di acqua
distillata per aumentarne la temperatura di un grado centigrado alla pressione di 1
atm.
Il calore specifico indica quanti joule di calore o di lavoro fanno aumentare di un
kelvin la temperatura di un kg di sostanza.
14. 14
Q= c m ΔT
Il calore Q che deve assorbire un corpo di massa m affinché il suo corpo possa subire una
variazione ΔT è:
Dove il coefficiente di proporzionalità c è caratteristico della sostanza di cui è fatto il corpo.
15. 15
Capacità termica
Si definisce capacità termica di un corpo (o più in generale di un qualunque sistema) il
rapporto fra il calore scambiato tra il corpo e l'ambiente e la variazione di temperatura che ne
consegue.
C = c m
In funzione della capacità termica, la relazione tra il calore Q assorbito da un corpo e la
variazione ΔT della sua temperatura è:
Q = C ΔT
16. 16
Propagazione del calore
• Si dice che il calore si propaga per conduzione quando si trasmette da un
corpo solido ad un altro, posti a diversa temperatura e a contatto fra loro.
• Si dice che il calore si propaga per convezione quando la propagazione
avviene nei fluidi, dove il calore si propaga per spostamento di materia.
• Si dice che il calore si propaga per irraggiamento quando la trasmissione
del calore tra due corpi avviene attraverso le radiazioni emesse da una
sorgente, anche se fra i due c’è il vuoto.
