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Termologia e Termodinamica

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Gianfranco Gargano

on 6 June 2017

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Transcript of Termologia e Termodinamica

Temperatura
Tutte le sensazioni che leghiamo al concetto di temperatura posono essere spiegate definendo la temperatura:
Temperatura
(più in dettaglio)
La temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle molecole che costituiscono il corpo o la sostanza.
Calore
Il calore è strettamente legato al concetto di temperatura.
E' qualcosa che due corpi possono scambiarsi e che durante il passaggio da un corpo all'altro modifica la temperatura dei due corpi.
Possiamo quindi pensare che il calore sia proprio ciò che la temperatura misura: energia cinetica o, più in generale, energia.

Termologia e Termodinamica
una misura della velocità media delle molecole che compongono il corpo o la sostanza di cui stiamo studiando la temperatura.
Maggiore è l'energia cinetica media delle molecole maggiore sarà la temperatura.
Minore è lenergia cinetica media delle molecole minore sarà la temperatura.
Il calore passa sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo.
E' semplice intuire come in un urto tra due corpi, dopo l'urto,
il corpo inizialmente più veloce
andrà più
lentamente
e
quello inizialmente più lento
andrà più
veloce
.
Possiamo quindi dire che in urto c'è
un trasferimento di energia cinetica dal corpo più veloce al corpo più lento.
Lo stesso fenomeno avviene quando un corpo più caldo entra in contatto con uno più freddo:
le molecole del corpo più caldo
, che si muovono più velocemente,
urtano le molecole del corpo più freddo
, che si muovono più lentamente,
e trasferisocono parte della loro energia cinetica a queste ultime
;
c'è quindi un passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo.



In realtà dato che la temperatura di un corpo è misura della velocità media delle molecole, questo vuol dire che accostando due corpi può capitare che alcune molecole del corpo a temperatura più alta siano meno veloci delle molecole del corpo a temperatura più bassa e così, 'localmente', potrebbero avvenire anche dei passaggi di energia cinetica dal corpo a temperatura più bassa a quello a temperatura più alta. Ma il fenomeno globale sarà comunque di un passaggio complessivo di energia cinetica dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa.
Equilibrio termico
Due corpi posti a contatto si scambiano calore. Il calore fluisce dal più caldo verso il più freddo.
Durante lo scambio di calore il corpo più caldo si raffedda e quello più freddo si riscalda.
Questo scambio di calore continua sin tanto che le temperature dei due corpi sono diverse.
A quel punto i due corpi si dicono in equilbrio termico.
Il calore che entra in un corpo ne inalza la temperatura.
Ma quanto calore è necessario per inalzare la temperatura di un corpo?
Definiamo
capacità termica la quantità di calore necesaria ad inalzare la temperatura di un dato corpo di un 1 grado kelvin.
Calore specifico e capacità termica
E' semplice intuire che la capacità termica di un corpo dipenderà dalla sostanza che lo compone e dalla sua massa. In particolare maggiore è la massa più calore sarà necessario ad inalzare la sua temperatura.
Quindi possiamo dire che la capacità termica C vale:
dove è quello che chiamamo calore specifico e dipende dalla sostanza di cui è composto il copo che stiamo considerando.
Calore necessario per inalzare la temperatura di un corpo.
Il calore necessario ad inlzare di gradi la temperatura di un corpo il cui calore specifico è e la cui massa è m si calcola così:
Temperatura di equlibrio
Quando due corpi scambiano tra di loro calore è lecito pensare che il calore che esce da un corpo entri nell'altro (del resto si tratta di energia cinetica scambiata tramite urti tra le molecole dei due corpi).
Q1
Q2
T1
T2
Te
m1
m2
Supponiamo che il corpo 1 (rosso) sia più caldo e il corpo 2 (viola) sia più freddo. Possiamo, allora, pensare che Q1, il calore che corpo 1 cederà al corpo 2 per far viarare la sua temperatura da T1 alla temperatura di equilibrio Te, sia lo stesso (anche numericamente in termini di Joule) che entrerà nel corpo 2 e che farà variare la sua temperatura da T2 a Te. Proviamo a calcolarli:

Notiamo come i due calori allora saranno numericamete uguali, ma di segno opposto. Allora potremo dire che
in ogni scambio termico tra due corpi la somma dei calori deve essere zero.
Mediante questa relazione è allora possibile calcolare la temperatura di equilibrio nello scambio termico tra due corpi di cui conosco masse, calori specifici e temperature iniziali.
La temperatura di equilibrio Te sarà intermedia tra le due temperature iniziali dei corpi. In particolar modo si può notare come essa sia la media pesata delle temperature usando come pesi le capacità termiche dei due corpi.
Una cosa interessante da notare è che se una delle capacità termiche (
calore specifico
per
massa
) è molto più piccola dell'altra allora la temperatura di equilibrio Te sarà molto vicina a quella del corpo con la capacità termica più grande.
Questo è il caso del termometro. Infatti quando ci misuriamo la temperatura usando un termometro quello che facciamo è mettere in contatto due corpi con diverse temperature iniziali: il termometro avrà la temperatura ambiente, ad esempio 20 gradi celsius e la nostra temperatura sarà ad esempio 38 gradi celsius. Misurare la nostra temperatura significa attendere l'equilibrio termico e vedere a che temperatura è arrivato il termometro. Ora se il termometro avesse una capacità termica troppo grande questo non misurerebbe la temperatura del nostro corpo ma una Te (la temperatura di equilibrio) diversa (ovviamente questo significherebbe che anche la temperatura del nostro corpo sarebbe variata, diventano anche essa uguale a Te). Ma per fortuna il termometro è di solito molto piccolo, ha quindi una capacità termica molto bassa e quindi la temperatura misurata è in sostanza la temperatura iniziale del nel nostro corpo.
Nel caso in cui i corpi in contatto siano più di due è comunque possibile trovare la temperatura di equilibrio, considerando il fatto che comunque il calore uscente da uno dei corpi entrerà in uno degli altri corpi (anche distribuendosi tra più corpi). Questo vuol dire che, in definitiva, comunque ad ogni calore uscente (negativo) corrisponderà un calore uguale ma entrante (positivo).
Questo significa che, come nel caso dei due corpi, la somma dei calori di tutti i corpi sarà nulla.
Equilibrio termico con più di due corpi.
Q1
Q2
T1
T2
Te
m1
m2
Q3
m3
T3
Temperatura di equilibrio tra più di corpi
Per trovare la temperatura di equilibrio procediamo come nel caso dei due corpi:
calcoliamo i singoli calori necessari a passare dalle temperature iniziali dei corpi alla temeperatura di equilibrio Te
uguagliamo la somma dei calori a zero
ricaviamo il valore della temperatura di equilibrio.
Quello che si ottiene è che la
Te è ancora la media pesata delle temperature iniziali di tutti i corpi usando come pesi le rispettive capacità termiche
:
Stati di aggregazione della materia.
La materia si presenta generalmente in tre stati:
Solido
: le molecole sono molto legate tra di loro e non sono libere di muoversi all'interno del solido. Quello che lega le molecole sono forze intermolecolari molto intense. Le molecole sono comunque in grado di vibrare intorno alla posizione che normalmente occupano. Maggiore è la temperatura di un solido maggiore sarà la velocità di vibrazione.
Liquido
: le molecole sono meno legate e libere di muoversi all'interno del liquido ma in ogni caso risentono ancora di forze intermolecolari (meno intense che nei solidi) che tendenzialmente raggruppano le molecole dandogli la consistenza liquida. Maggiore sarà la temperatura, maggiore sarà la velocità con cui le molecole si muovono nel liquido.
Gassoso
: le molecole di un gas non sono legate tra loro (o lo sono molto debolemente, le forze intermolecolari sono quasi nulle) per questo motivo possono vagare liberamente e hanno bisogno di un contenitore per essere mantenute in una porzione di spazio definita. Maggiore sarà la temperatura, maggiore sarà la velocità con cui le molecole si muovono nel liquido.
Cambiamenti di Fase (Ebolizzione, Fusione, Solidifcazione, Liquefazione)
Le forze intermolecolari determinano gli stati di aggregazione della materia:
se molto intense la sostanza è un solido,
se meno intense la sostanza è un liquido,
se quasi nulle la sostanza è un gas,
L'intensità di queste forze dipende dalla distanza tra le molecole: più le molecole sono distanti, minore è la forza tra esse.
Questo vuol dire che
se le molecole si muovono abbastanza velocemente ad un certo punto saranno abbastanza distanti tra loro e avranno energia cinetica sufficiente a liberarsi dal vincolo delle forze intermolecolari, e slegarsi dalle molecole vicine.
Da questo ragionamento è chiaro come
fornendo calore ad un solido, cioè fornendogli energia cinetica, cosentiamo alle sue molecole di vibrare più velocemente e quindi di cambiare stato di aggregazione, ad esempio da solido a liquido (
fusione
) o da liquido a gassoso (
ebollizione
)
.
Ovviamente sottraendo calore è possibile ottenere l'effetto contrario: le molecole andranno abbastanza lente da legarsi per effetto delle forze intermolecolari, così un gas diventerà liquido (
liquefazione
) o un liquido diventerà solido (
solidificazione
).
Quanto calore è necessario per far cambiare di fase una certa quantità di materia?
Calore latente
Quello che si nota fornendo calore ad una sostanza in un determinato stato (ad esempio solido) è che la sua temperatura comincia ad inzarsi, ma arrivata ad un certo punto la temperatura smette di crescere e la sostanza comincia a cambiare di fase (ad esempio a fondere). Questo fenomeno è semplicemente spiegabile: le forze intermolecolari di una determinata sostanza in una determianta condizione (ad esempio ghiaccio) sono capaci di tenere le molecole unite in un solido solo sino ad un certo livello di vibrazione delle molecole, quindi sino ad un certo valore di energia cinetica delle molecole, ciò vuol dire solo sino ad una certa temperatura. Superata quella quantità di energia le molecole cominciano a fondere avendo sufficiente energia per liberarsi dei legami intermolecolari. Quindi per ogni sostanza c'è una temperatura di fusione che dipende dalle forze intermolecolari e quindi dal tipo di molecola.
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