CORSO DI CHIMICA II

Note 2

Lavoro, energia, temperatura, calore

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Parole Chiave: Grandezze derivate, velocità, accelerazione, forza, lavoro, energia cinetica, energia potenziale, conversione, temperatura, equilibrio termico, zeresimo principio, calore, convenzione fondamentale, sistema aperto, sistema chiuso, adiabatico, diatermico, isolato, grandezze intensive, gradiente, grandezze estensive, capacità termica

 

 

I concetti di temperatura e calore

 

Le grandezze derivate

 

 

 

Lavoro ed energia

Il lavoro è la grandezza fisica di riferimento, essenzialmente perché è possibile misurarlo.

Il concetto di lavoro è quasi intuitivo: sollevando un peso faccio fatica, e 'sento' che sto compiendo del lavoro. Posso misurare il lavoro fatto se considero lo spostamento verticale:

h2 - h1 = D h

D =differenza di due valori, in questo caso di due altezze

D h = percorso compiuto dal peso mentre viene sollevato.

L = g· m · D h

g è l'accelerazione di gravità

m è la massa

Supponiamo di avere una bella superficie curva, liscia (ad es. con sezione parabolica) e una pallina, altrettanto liscia. Si lascia cadere la pallina lungo questa superficie, ad una distanza in verticale dal punto più basso pari al D h dell'espressione precedente. La pallina scendendo acquista velocità in ogni istante perché sottoposta all'accelerazione di gravità. Se il sistema è simmetrico e non c'è attrito la pallina, dopo aver acquistato il massimo di velocità in fondo al 'pozzetto' dovrà arrivare alla stessa altezza dall'altra parte. Cosa succede dal punto di vista dell'energia? Senza attrito la pallina continuerebbe a rotolare, invece con attrito essa si ferma alla base quando tutta l'energia potenziale che possedeva all'inizio si è dispersa sotto forma di calore (dovuto all'attrito). Come al solito supponiamo che non ci sia attrito.

C'è un aumento dell'energia CINETICA in funzione della velocità: Ec = 1/2 ·mv2

All'inizio la pallina è ferma, v=0 Ec=0

Al fondo del pozzetto la velocità sarà v=v1 Ec=1/2 ·mv12

Da 'dove' questo oggetto acquista l'energia cinetica? Facendo il lavoro L abbiamo fatto acquistare alla pallina una certa energia POTENZIALE, e questa diminuisce man mano che la pallina cade. Quando la pallina è al fondo si trova all'altezza h1, cioè nelle condizioni iniziali. Tutto il nostro lavoro si è trasformato in energia CINETICA. Quando la pallina risale si attua il processo opposto: l'energia cinetica si trasforma in energia potenziale. Sono stato in grado grazie al lavoro di dare all'oggetto energia potenziale (che non si esprime) e poi ho fatto sì che questa energia potenziale si trasformasse in energia cinetica (che si esprime ).

Le varie forme di energia si trasformano fra di loro e in lavoro. L'unità di misura di energia (in tutte le forme) e lavoro è la medesima.

 JOULE: unità di misura del lavoro e corrisponde al lavoro compiuto spostando il punto di applicazione di una forza dell'intensità di un newton nella direzione della forza stessa.

Per esempio un cuore umano ad ogni battito consuma 1j, noi mangiamo una quantità elevata di energia rispetto a quanta ne consumiamo.

Quando sollevo di 1 metro un oggetto da 1kg compio quasi 10 Jdi lavoro.

La temperatura

La tempretaura è una grandezza fisica fondamentale: è abbastanza elusiva come il tempo.

Fino alla metà del '600 si considerava il caldo e il freddo secondo la fenomenologia degli oggetti.

Oggi usiamo il TERMOMETRO, e applichiamo (senza doverlo sapere!) lo zeresimo principio della termodinamica. Supponiamo di avere un termometro con una scala arbitrìtraria, all'interno del quale un corpo dilatandosi e contraendosi ci segnala i cambiamenti di temperatura (potrebbe essere stato tarato ponendo 0 °C e 100 °C per il punto di fusione del ghiaccio e di ebollizione dell'acqua). Diciamo che due corpi sono in equilibrio termico quando hanno la stessa temperatura. Lo zeresimo principio afferma questo:

Abbiamo 3 corpi: A, B, C. A e C hanno la stessa temperatura quindi sono in equilibrio. Il corpo C messo in contatto con B è ancora in equilibrio termico, ma dato che C era anche in equilibrio con A, affermiamo che anche A e B sono in equilibrio termico fra loro.

Che cosa misuriamo con la temperatura? Misuriamo il grado di agitazione termica delle particelle che costituiscono il corpo. Se > sarà la temperatura > sarà l'agitazione termica e viceversa.

Il calore

L'aumento di temperatura di un corpo è dovuto all'aumento dell'energia cinetica delle particelle che lo compongono. Un porcesso che realizziamo quotidianamente consiste nello SCALDARE certi recipienti accendendovi sotto una fiamma.. Paghiamo il metano aòlla stassa stregua dell'energia elettrica perche la fiamma del metano ci fornisce energia sotto forma di CALORE. Abbiamo individuato il CALORE come forma particolarissima di energia, di cui ha senso parlare (o ha senso misurare) solo quando consideriamo il trasferimento di energia termica da un corpo ad un altro.

 

Se il corpo A ha temperatura t1 e il corpo B ha temperatura t2, t2>t1 quindi si ha un passaggio di calore da B ad A. Non c'è possibilità umana di fermare il passaggio di calore e nel tempo si arriva all'equilibrio termico.

 

CALORE: forma di energia che si trasferisce da un corpo ad un altro secondo processi di CONDUZIONE,CONVEZIONE e IRRAGGIAMENTO.

 

CONDUZIONE: contatto tra l'oggetto caldo e l'oggetto freddo

CONVEZIONE: richiede particelle gassose o liquide che si interpongono tra i due corpi; esse urtando il corpo caldo ricevono energia che trasmettono in modo caotico al corpo freddo con succesivi urti.

L'IRRAGGIAMENTO: emissione di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche

 

E' facile dimostrare che il calore 'costa' una quantità terrificante di lavoro.

 

1 J ® un battito del cuore

10 J ® 1kg sollevato a 1 m di altezza

103 J ® si scaldano di circa 5 °C 50 g di acqua

15 kJ ® per un atazzina di caffè caldo

 CALORIA: quantità di energia necessaria per aumentare di 1° la temperatura di 1g di acqua da 24 a 25 °C.

 

La convenzione fondamentale della termodinamica

 

La convenzione fondamentale è questa: tutto ciò che entra nel sistema ha segno positivo, tutto ciò che esce dal sistema ha segno negativo. Nel caso che si tratti di calore le variazioni sono così definite

D q < 0 ESOTERMICA

D q > 0 ENDOTERMICA

 

Sistemi termodinamici

Un sistema corrisponde a una parte dell'ambiente separato rispetto all'ambiente stesso da superfici reali o virtuali.

Se ho una scatola chiusa le superfici sono reali, cioè sono le pareti. Se apro la scatola ho 5 pareti reali e una superficie virtuale.

 SISTEMA APERTO: costituito da pareti reali e pareti virtuali, è possibile lo scambio di energia e di materia con l'esterno. Si può ricordare che "ogni essere vivente è un sistema aperto" cioè scambia energia con l'ambiente.

 SISTEMA CHIUSO: le pareti impediscono il passaggio di materia

Sistema chiuso ADIABATICO: non permette il passaggio né di materia né di energia sottoforma di calore . Le pareti sono isolanti ma permettono ad es. il passaggio di energia elettromagnetica.

Sistema chiuso DIATERMICO: non permette il passaggio di materia ma permette anche il passaggio di calore.

 SISTEMA ISOLATO: non permette il passaggio né di materia né di energie di tutti i tipi.

 Grandezze intensive ed estensive

GRANDEZZE INTENSIVE: non dipendono dalla quantità di sostanza presente nel sistema (cioè non dipendono dalla massa del sistema) ad es. la TEMPERATURA .

Gradienti

Si parla di GRADIENTE di una grandezza intensiva all'interno di un sistema quando questa grandezza assume valori diversi in punti diversi del sistema.

Si può parlare di GRADIENTE DI TEMPERATURA: ogni punto dll'aula ha una determinata temperatura che dipende dalla distanza dalle fonti di calore, dalle finestre etc.

Analogamente si può avere un GRADIENTE DI PRESSIONE (è importante per i movimenti atmsferici).

La DENSITA' (m/v) può dipendere dal punto che sto considerando, e così pure la CONCENTRAZIONE (unità di misura mol/dm3) può dipendere dalla posizione (ad esempio rispetto ad un corpo di fondo che si sta sciogliendo).

LE GRANDEZZE INTENSIVE NON SI POSSONO SOMMARE!

 

GRANDEZZE ESTENSIVE: dipendono dalla quantità di sostanza in esame.

(Esempi: massa, volume, energia interna).

PERMETTONO DI ESSERE SOMMATE L'UNA ALL'ALTRA!

 

Misure di calore

 

Calore: energia in transito, che si trasferisce da un corpo ad un altro. Quando vi è una variazione di temperatura D T , la quantità di calore q scambiata dal sitema è posta eguale a:

 

q = C ·D T

 

dove C è la capacità termica del sistema, ed è eguale al prodotto fra il calore specifico della sostanza che costituisce il nostro sistema e la sua massa.