Temperatura e Calore

1. Temperatura e Calore • La materia è un sistema fisico a “molti corpi” • Gran numero di molecole (NA=6,02·1023) interagenti tra loro • Descrizione mediante grandezze “macroscopiche” (valori medi su un gran numero di particelle): • Pressione • Volume • Temperatura • Il legame con le grandezze “microscopiche” è di tipo statistico.

2. °C 100° 50° 0° Temperatura • Rappresenta la 5agrandezza fondamentale (t,T); • E` in correlazione con altre grandezze fisiche: • volume di un corpo; • pressione di un gas; • viscosità di un fluido; • resistività elettrica; • ..... •  T è la misura dello “stato termico” di un sistema fisico • Principio dell’equilibrio termico: “due corpi posti a contatto raggiungono, dopo un certo tempo, la medesima temperatura”. • Viene misurata con il termometro: Proprietà termometriche Dilatazione termica: V(t) = Vo (1 + t) =coefficiente di dilatazione termica In un tubo: h(t) = ho (1 + t)

3. °C 42° 41° 40° 39° 38° 37° 36° Termometro clinico • Liquido termometrico: mercurio • La strozzatura presente nella canna serve per conservare tmax dopo che il termometro è rimosso dal paziente

4. Scale termometriche °F K °C Scala normale o CelsiusoC 0°  100° H2O 200° 400° 373° 212° te 100° Scala FarenheitoF 300° 32° 0° 273° tf 200° –148° –100° 100° –328° Scala assoluta o Kelvin K Unità di misura del S.I. –200° –459.4° –273° 0° t T scale centigrade

5. Interpretazione microscopica • Nella materia (N = numero di molecole  Na=6,02·1023): • Moto di “agitazione termica” di atomi e molecole: • moto disordinato (gas) • vibrazioni intorno alle posizioni di equilibrio (solidi) • energia cinetica Ek • Energia potenziale e di legame: • energia potenziale Ep La temperatura di un corpo è correlata al livello medio di agitazione termica nella materia Nota: si definisce energia interna U di un sistema la quantità: U è quindi funzione della temperatura.

6. Calore Due corpi messi a contatto si portano alla stessa temperatura Trasferimento di energia interna dal corpo più caldo a quello più freddo. Si dice che tra i due sistemi vi è stato scambio di calore • Il calore(Q) • è l’energia interna dei sistemi trasferita nei processi termici; • può essere ceduto o assorbito da un corpo. • Unità di misura (S.I.): Joule (J) • Unità pratica di misura: caloria (cal) • è la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1g di H2O da 14,5 oC a 15,5 oC. • L’equivalente meccanico della caloria è : 1 cal = 4,186 J Nota: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal

7. Calore Specifico e Capacità Termica La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massam affinchè la sua temperatura passi da T1 a T2 è • c = “calore specifico” • quantità caratteristica di ogni materiale (vedi tabella...) • Unità di misura (S.I.): J/kg·K (molto utilizzata cal/g·oC ) • C=c·m = “capacità termica” • dipende dalla massa dell’oggetto • Unità di misura (S.I.): J/K (molto utilizzato cal/oC o kcal/oC Ricorda: T (Kelvin) = t (Celsius) Esempio: 1 cal/g·oC = 1 kcal/kg·oC = 1 cal/g·K = 4,186·103 J/kg·K Cal

8. Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente

9. Esempio: Quante calorie occorrono per innalzare di t=10oC un volume pari a 3 litri di acqua ? Esprimere il risultato nelle unità del S.I.:

10. Q1 Q2 t1 t2 tf tf Equilibrio Termico Due corpi a temperature t1e t2(t2 > t1) sono posti in contatto termico, isolati dall’ambiente circostante Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di equilibrio tf Applicando la conservazione dell’energia si ottiene la temperatura di equilibrio tf

11. solidificazione solido liquido fusione Trasformazioni di fase Corrispondono a transizioni tra i tre diversi stati di aggregazione della materia condensazione liquido gas evaporazione • Avvengono a temperatura costante, caratteristica della sostanza in esame; • Sono accompagnate da • - assorbimento di calore (endotermiche) - liberazione di calore (esotermiche) Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche !

12. Calore latente Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il caloreQ necessario alla fusione (evaporazione) di una massam è: Q = kf m T = costante Fusione kf = calore latente di fusione es. kf (H2O) = 80 cal/g Q = ke m Evaporazione T = costante kf = calore latente di evaporazione es. ke (H2O) = 606,5-0.695·t cal/g Alla temperatura corporea t=37 oC: ke (H2O) = 580 cal/g

13. Esempio: Quante calorie occorrono per fondere m=10g di ghiaccio ?

14. Trasmissione del calore meccanismi di trasmissione del calore convezione PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA conduzione PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA irraggiamento EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE (RADIAZIONE TERMICA) evaporazione (sistemi biologici)

15. Convezione • Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il trasporto di calore è associato al trasporto di materia. • Esempi: • Radiatore in una stanza; • Acqua in una pentola; • Nei sistemi biologici: sangue e linfa. fornello In generale, la quantità di caloreQ scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza ditemperaturaT tra radiatore e stanza:

16. Conduzione Meccanismo di propagazione del calore nei solidi S T1 T2 Q K = conducibilità termica d A temperatura ambiente: MATERIALI DIVERSI K (kcal m–1 s–1 °C–1) rame ghiaccio acqua 9.2 10–2 5.2 10–4 1.4 10–4 pelle secca polistirolo aria 0.6 10–4 9.3 10–6 5.5 10–6

17. Irraggiamento termico • Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo a temperatura T. Avviene anche nel vuoto ! • Esempi: • Energia solare; • Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse; • Corpi arroventati emettono luce. Ogni corpo irradia ed assorbe calore dall’ambiente circostante. Si ha:

18. Metabolismo del corpo umano Uomo Organismo omotermo D » » » U 0 t 37°C D t 0 produzione energia C • carboidrati ossidazione di : G • grassi processi esotermici P • proteine consumo di O2 interna • Q D U > 0 • Q ambiente D U < 0 Il corpo deve cedere calore all’ambiente per mantenere costante la temperatura corporea

19. Evaporazione Meccanismo adottato nei sistemi biologici Calore latente di evaporazione H2O (t = 37°C) » 580 cal g–1 • Processo endotermico passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora; • Non dipende dalla differenza di temperatura T. Esempio evaporazione di 100 g H2O 58 kcal = 242.5 kJ metabolismo basale = M.B. » 50 kcal ora–1 m–2 (minima quantità di energia per garantire le funzioni vitali)

20. Trasmissione del calore nel corpo umano • conduzione trasmissione interna ed esterna Inefficaci se T=0 esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è maggiore della temperatura corporea contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con aria e vestiti • irraggiamento trasmissione esterna emissione termica • convezione trasmissione interna diffusione con distribuzione omogenea del calore interno tramite sangue Efficace anche se T=0 più efficace se l’ambiente esterno è secco • evaporazione trasmissione esterna sudorazione e respirazione –1 » H O (t = 37°C) 580 cal g 2

21. perdita di calore kcal ora 100 perdita totale evaporazione 50 conduzione irraggiamento t o 22° °C 34° 26° 30° Termoregolazione corporea • Bassa temperatura ambiente (T<< 37 oC): • vasocostrizione • brividi, pelle d’oca • Alta temperatura (T  37 oC) o sforzo fisico: • vasodilatazione • sudorazione Processi regolati dall’ipotalamo