Principi e applicazioni del calore

Principi e applicazioni del calore

non scambia né energia né materia con l'esterno

Sistema isolato

Termologia

le loro relazioni con le proprietà fisiche dei materiali.

La termodinamica

misura l'energia cinetica media delle particelle in un corpo

scambia solo energia con l'esterno

Sistema chiuso

Temperatura

studia il calore e la temperatura

La termodinamica è lo studio delle trasformazioni di energia e calore nei sistemi.

scambia sia energia che materia con l'esterno

calorimetro

Sistema aperto

strumento di misurazione

unità di misurail grado °

strumento di misurazione

Il calore

unità di misura Joule (J)

si usano anche

Kelvin (°K)

Termometro

trasferimento di energia tra due sistemi

associato ad una differenza di temperatura

Secondo principio

Terzo principio

Primo principio

Principio zero

Calorimetria

da 273,15 K a 373,15 K

Fahrenheit (°F)

Celsius (°C)

Macchine termiche

Enunciato di Kelvin

tramite

ognuno utilizza un principio chimico diverso

Metodi per misurare il calore

ΔU=Q−W

0 K = -273.15 °C è detta zero assoluto

Entropia

da 0°Ca 100°C

da 32°F a 212°F

Enunciato di Clausius

radiazioneelettromagnetica

materiale che non si muove

Dilatazione Termica

non è possibile raffreddare un corpo a questa temperatura

trasferimento di calore

a Resistenza Elettrica

Trasformazione Ciclica

Trasformazione Isocora

Combustione

un fluido in movimento

Conduzione

a Infrarossi

Trasformazione Isoterma

Irraggiamento

Trasformazione Isobara

a Termocoppia

𝑄=𝑊

volume costante

Convenzione

temperatura costante

Legge di Stefan-Boltzmann

Δ 𝑈 = 𝑄

pressione costante

𝑄=𝑊

si divide in

Q=ΔU+W

La potenza irradiata da una superficie è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta.

Naturale

Forzata

An awesome title

Contextualize your topic

Immaginiamo di avere un contenitore rigido pieno di gas. Se riscaldiamo questo contenitore, il volume del gas non può cambiare perché il contenitore è rigido. Quindi, l’unica cosa che può succedere è che l’energia interna del gas aumenta. In una trasformazione isocora, il volume del gas rimane costante. Quindi, ΔV=0, dove Δ 𝑉 è la variazione del volume. Poiché il volume non cambia, non c'è espansione o compressione del gas, e quindi il lavoro meccanico compiuto dal gas è zero. W=PΔV Dove 𝑊 è il lavoro e 𝑃 P è la pressione. Poiché ΔV=0, risulta che W=0. per il primo principio Δ 𝑈 = 𝑄 − 𝑊 In una trasformazione isocora, poiché 𝑊 = 0 , diventa: Δ 𝑈 = 𝑄 Questo significa che tutto il calore scambiato dal sistema ( 𝑄 ) si traduce direttamente in una variazione dell'energia interna ( Δ 𝑈 ).

Il principio zero della termodinamica afferma che: se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora sono in equilibrio termico anche tra di loro. In altre parole, se due corpi hanno la stessa temperatura, non ci sarà più alcuno scambio di calore tra di loro. Il principio zero è fondamentale perché consente di definire la temperatura come una proprietà fisica che indica lo stato di equilibrio termico tra i sistemi. Sebbene il principio zero sia stato formulato successivamente agli altri tre principi della termodinamica, gli è stato attribuito il numero "zero" per sottolineare la sua importanza fondamentale. Senza di esso, non sarebbe possibile definire il concetto stesso di temperatura, rendendo difficile l'applicazione degli altri principi termodinamici.

Il terzo principio della termodinamica, si occupa del comportamento dei materiali a temperature molto basse. Infatti ci dice che non è possibile raggiungere lo zero assoluto detto anche o kelvin ossia -273.15 °C. A questa tmperatura il movimento delle molecole si ferma completamente. l'entropia del sistema tende a stabilizzarsi su un valore minimo fisso quando ci si avvicina allo 0 kelvin quindi il disordine all'interno del sistema diminuisce drasticamente. In teoria, non è possibile andare al di sotto dello zero assoluto perché, a questa temperatura, le particelle cessano completamente di muoversi.

Supponiamo di schiacciare una lattina vuota, il volume diminuisce, la pressione aumenta e tutta l'energia viene rilasciata sotto forma di calore evitando che la temperatura all'interno cambi. La temperatura rimane costante, quindi Δ𝑈=0 (per i gas ideali). Si applica il primo principio 𝑄=𝑊 il calore assorbito dal sistema è uguale al lavoro compiuto dal sistema

Le macchine termiche convertono il calore in lavoro meccanico o trasferiscono calore da una zona fredda a una più calda, seguendo i principi della termodinamica. Ecco alcuni esempi: Macchina di Carnot: Modello teorico ideale che funziona con due sorgenti di calore a temperature diverse e rappresenta il limite massimo di efficienza. Motore a combustione interna: Utilizzato nei veicoli, converte il calore della combustione del carburante in lavoro meccanico attraverso cicli di compressione ed espansione. Motore a vapore: Utilizza il vapore generato dalla combustione per muovere pistoni o turbine, producendo lavoro meccanico. Refrigeratori e pompe di calore: Spostano calore da una zona fredda a una più calda, come nei frigoriferi o nelle pompe di calore per riscaldamento/raffreddamento. Turbina a gas: Usata in centrali elettriche e motori a reazione, trasforma l'energia termica dei gas ad alta pressione in energia meccanica.

Il primo principio della termodinamica afferma che l'energia di un sistema non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata. Nel caso di una pallina lanciata in aria, quando è ferma ha solo energia potenziale, che si trasforma in energia cinetica durante il movimento verso l'alto. Al punto più alto, l'energia è di nuovo tutta potenziale, e mentre scende, l'energia cinetica aumenta nuovamente. La somma di energia potenziale e cinetica, ossia l'energia meccanica, rimane costante. Quando la pallina rallenta a causa dell'attrito, l'energia meccanica si trasforma in energia termica. Quindi, l'energia non si perde, ma cambia forma.

Come avviene?

Quando una parte del fluido si riscalda, diventa meno densa e si solleva. Il fluido più freddo scende per sostituirla, creando un ciclo di movimento che trasferisce calore.

Sistema isolato

Un sistema isolato è un tipo di sistema termodinamico che non scambia né energia né materia con l'ambiente esterno. In altre parole, un sistema isolato è completamente separato dall'ambiente circostante, il che significa che tutto ciò che accade all'interno di esso avviene senza influenze esterne.

Sistema aperto

Un sistema aperto è un tipo di sistema termodinamico che può scambiare sia energia che materia con l'ambiente esterno. A differenza dei sistemi chiusi e isolati, i sistemi aperti non hanno restrizioni sui trasferimenti di massa o di energia. Questo tipo di sistema è comune in molti processi naturali e ingegneristici. Un esempio è il corpo umano oppure una tazza di caffé non coperta

ΔU rappresenta la variazione di energia interna, Q è il calore scambiato con l'ambiente e L è il lavoro svolto dal sistema o dall'ambiente. I segni nella formula seguono convenzioni: Q è positivo se il sistema riceve calore, negativo se lo cede. L è positivo se il sistema compie lavoro sull'ambiente, negativo se l'ambiente compie lavoro sul sistema. Se consideriamo un sistema isolato, in cui non ci sono scambi di calore o lavoro con l'esterno, la variazione di energia interna è nulla, quindi ΔU = 0.

Supponiamo di andare in montagna con un sacchetto pieno di noci, una volta arrivati vediamo che il sacchetto si è gonfiato. Questo perche la pressione atmosgferica esterna, salendo in montagna cala e quella all'interno risuta essere maggiore obbligando il gas ad espandersi. La pressione interna non è cambiata. Durante l'espansione del sacchetto, il gas compie lavoro per spingere contro l'atmosfera esterna. Questo lavoro è dato dalla formula: 𝑊=𝑃Δ𝑉 Dove: W è il lavoro compiuto, P è la pressione costante all'interno del sacchetto, Δ𝑉 è la variazione del volume del sacchetto. Secondo il primo principio Δ𝑈=𝑄−𝑊 Quindi, il calore scambiato è: 𝑄=Δ𝑈+𝑊

Quando avviene?

Avviene quando le particelle di un corpo ad alta temperatura vibrano e trasferiscono energia cinetica alle particelle adiacenti, che a loro volta trasferiscono l'energia alle particelle più lontane.

Irraggiamento

L'irraggiamento è il trasferimento di calore attraverso radiazione elettromagnetica, come i raggi infrarossi. Non richiede un mezzo materiale e può avvenire anche attraverso il vuoto. Le onde elettromagnetiche trasportano energia termica dalle superfici calde a quelle più fredde. Per esempio il calore del sole che arriva sulla Terra attraverso lo spazio, o il calore che senti quando ti avvicini a una stufa. Legge di Stefan-Boltzmann: La potenza irradiata da una superficie è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura assoluta.

L'entropia misura il grado di disordine in un sistema ossia una misura di quanto l'energia o la materia siano distribuite in modo caotico o sparpagliato. Immaginiamo di aprire una bottiglia di profumo in una stanza. All'inizio, le molecole di profumo sono concentrate vicino alla bottiglia, con bassa entropia. Man mano che il profumo si diffonde, le molecole si spargono per la stanza, aumentando l'entropia. Questo perché l'energia è ora distribuita in modo più casuale e disordinato. L'entropia mostra anche quanto di quell'energia non può più essere usata per compiere un lavoro. Quando l'entropia aumenta, significa che l'energia è dispersa e quindi è difficile utilizzarla.

Tipi di calorimetri

Calorimetro a Bombola Calorimetro Differenziale a Scansione (DSC) Calorimetro ad Acqua Calorimetro ad Aria Calorimetro a Conducibilità Calorimetro a Risposta Rapida

Immaginiamo il funzionamento di un motore di un’auto. Il motore passa attraverso una serie di trasformazioni, ma alla fine di ogni ciclo, torna sempre al punto di partenza. Dopo ogni giro del ciclo, il motore è pronto a ricominciare il processo dall’inizio, proprio come quando il motore di un'auto completa un giro del pistone. In una trasformazione ciclica, il sistema passa attraverso diverse trasformazioni (come riscaldamento, raffreddamento, espansione e compressione), ma alla fine ritorna sempre allo stato iniziale. Questo significa che la variazione dell'energia interna è zero, perché il sistema è tornato alle condizioni di partenza: Δ 𝑈 = 0 Durante il ciclo, il sistema può compiere lavoro, ad esempio spingendo un pistone o muovendo una turbina. La quantità di lavoro complessivo compiuto dal sistema durante il ciclo è uguale alla quantità di calore assorbito meno il calore ceduto dal sistema. Poiché alla fine di un ciclo l’energia interna non cambia ( Δ 𝑈 = 0), il calore totale assorbito dal sistema è uguale al lavoro compiuto dal sistema. 𝑄 = 𝑊 Questo significa che tutta l'energia che il sistema assorbe sotto forma di calore viene trasformata in lavoro durante il ciclo.