Termodinamica - -termica... · PDF fileTermodinamica !La termodinamica è la branca...

Click here to load reader

  • date post

    16-Feb-2019
  • Category

    Documents

  • view

    308
  • download

    1

Embed Size (px)

Transcript of Termodinamica - -termica... · PDF fileTermodinamica !La termodinamica è la branca...

Termodinamica

La termodinamica la branca della fisica che si occupa di calore ( o Energia Termica) e temperatura Spesso nel nostro dialogare quotidiano temperatura e calore vengono confusi, e questi termini vengono utilizzati come sinonimi per indicare sensazioni di caldo o freddo La temperatura ed il calore sono in realt due grandezze completamente differenti

Temperatura: una grandezza scalare fondamentale,nel SI lunit di misura il grado Kelvin(K) La temperatura, (come vedremo tra poco) una propriet che determina se un corpo si trova in equilibrio termico con altri corpi A livello microscopico una misura dellenergia cinetica media delle particelle (atomi o molecole) che compongono la materia Lo zero assoluto ( cio T=0 K) corrisponde ad una situazione in cui lenergia cinetica media delle particelle nulla => il limite inferiore dei valori che la temperatura pu assumere e non mai raggiungibile Contatto termico: Situazione in cui due corpi possono scambiare energia sotto forma di calore o radiazione elettromagnetica ( ci avviene quando i due corpi hanno temperature diverse) Equilibrio termico: quando due corpi messi in contatto termico cessano di avere scambi di energia mediante calore o radiazione elettromagnetica. In questo caso i due corpi si trovano alla stessa temperatura

Principio 0 della termodinamica- Legge dellequilibrio termico Consideriamo due corpi A e B che non sono in contatto termico( cio che non possono scambiare tra di loro energia sotto forma di radiazione elettromagnetica o calore ) ed un terzo corpo C con cui vengono messi separatamente a contatto termico.

PRINCIOPIO 0 DELLA TERMODINAMICA: Se I corpi A e B sono separatamente in equilibrio

termico con il corpo C, allora A e B sono in equilibrio termico se posti a contatto

Due corpi che si trovano in equilibrio termico presentano la stessa temperatura

Se il corpo C un termometro, nel caso in cui A e B sono allequilibrio termico il termometro posto a contato con entrambi segner la stessa temperatura

A

A

C

C B

B

Senza flusso di calore (A in equilibrio con C

Senza flusso di calore (C in equilibrio con B

Senza flusso di calore (A in equilibrio con B

Misura della temperatura-termometro I termometri sono dispositivi per misurare la temperatura di un corpo o di un sistema con cui termometro in equilibrio termico. La misurazione della temperatura una misura indiretta, ci viene misurata attraverso losservazione di una qualche propriet fisica del corpo che varia al variare della temperatura stessa, es: variazione del volume (o della lunghezza in caso di solido) in conseguenza della dilatazione termica(che studieremo tra poco) Nei termometri comuni (analogici) viene utilizzato un liquido (solitamente alcool o mercurio) posto allinterno di un capillare graduato. A cause della dilatazione termica il liquido salir o scender di livello nel capillare a seconda della temperatura di equilibrio termico. Poich linnalzamento del liquido ha un andamento lineare con la temperatura, possibile tarare il termometro ponendo dei livelli di riferimento noti, es: punto di ebollizione(miscela di acqua e vapore in equilibrio termico a pressione atmosferica) o punto di congelamento (temperatura di una miscela di acqua e ghiaccio a pressione atmosferica) dellacqua Esistono diverse scale di temperatura, che dipendo dal punto di riferimento utilizzato, dal limite superiore adottato e dal numero di livelli intermedi. Scala Celsius (C): 0C = punto di congelamento dellacqua 100C = punto di ebollizione dellacqua 100 segmenti di ugual lunghezza => variazione di 1C La precisione di questi termometri diminuisce allontanandosi dai punti di taratura Scala assoluta => Kelvin La variazione di 1 K uguale alla variazione 1C. 0C=273,16K

Punto triplo dellacqua

Consideriamo lacqua, che come tutti gli elementi pu esistere in stato gassoso (vapor acqueo) liquido (acqua) e solido (ghiaccio). Lo stato in cui si trova dipende sia dalla temperatura che dalla pressione. Per ogni pressione esiste una valore diverso delle temperatura di fusione (passaggio da solido a liquido), di vaporizzazione (da liquido a gassoso) e di sublimazione (da solido a gassoso) Esiste comunque un solo punto sul grafico P-T in cui i tre stati possono coesistere in equilibrio termico: il PUNTO TRIPLO (cio un solo valore di temperatura e pressione in cui i tre stati siano presenti in equilibrio termico) . Il punto triplo dellacqua si trova a: P3 =0,6117kPa T3 =273,16 K (0.01C)

Tabella punto triplo di alcune sostanze

Materiale T(K) P(kPA)

Acqua 273,16 0,6117

Ammoniaca 195,40 6,076

Anidride carbonica 216,55 517

Argon 83,81 68,9

Azoto 63,18 12,6

Butano 134,6 7 104

Carbonio (grafite) 4765 10132

Elio-4 2,19 5,1

Idrogeno 13,84 7,04

Mercurio 234,2 1,65 107

Metano 90,68 11,7

Neon 24,57 43,2

Ossigeno 54,36 0,152

Palladio 1825 3,5 103

Platino 2045 2,0 104

Titanio 1941 5,3 103

Xeno 161,3 81,5

Zinco 692,65 0,065

Il termometro standard rispetto al quale vengono tarati tutti i termometri basato sulla pressione esercitata da un gas isolato a volume costante Tale termometro costituito da: Bulbo di vetro contenente gas collegato mediante un vaso ad un manometro a mercurio . Manometro a mercurio ( serbatoio mobile, scala graduata, ramo in contatto con il gas) Il bulbo messo a contatto termico con il corpo (o sistema) di cui si vuole conoscere la temperatura Variando laltezza del manometro si pu far in modo di mantenere la superficie di contatto tra mercurio e gas sempre alla stessa altezza (ponendo per esempio a zero tale livello) => volume del gas mantenuto costante La temperatura del gas data dalla relazione: Dove T la temperatura, p la pressione del gas e C una costante. La pressione p del gas (uguale alla pressione del mercurio sulla superficie di contatto viene calcolata applicando la legge di Stevino:

Dove: la densit del mercurio

p0 la pressione atmosferica

h la differenza di livello di mercurio tra la colonna A ed il serbatoio B del barometro.

Termometri a gas a volume costante(1)

CpT =

ghpp += 0

p

p0

Termometri a gas a volume costante(2)

CpT = ghpp += 0

p

p0 Per tarare il termometro si immerge il bulbo di gas in una recipiente contenente ghiaccio ed acqua in equilibrio termico ed il serbatoio viene posto in modo che il livello di contatto mercurio-gas sia posizionato a 0 sulla scala del manometro. Si ha quindi che: Si immerge quindi il bulbo in un recipiente contenente acqua al punto di ebollizione e si risistema il serbatoio di mercurio in modo da avere ancora il livello di contatto mercurio-gas sia posizionato a 0 sulla scala del manometro. Si ha che:

CC CpT = 00 CC ghpp += 000

CC CpT = 100100 CC ghpp += 100100100

Poich T varia linearmente con la pressione riportando i due punti trovati su un grafico P-T e tracciando una riga congiungente i due punti si ottiene la taratura del termometro per le temperature incognite. La temperatura di una qualsiasi sostanza pu essere determinata quindi misurando la pressione del gas nel bulbo (misurando laltezza della colonna del manometro) quando questo in equilibrio termico con la sostanza ed estrapolando tale valore dalla retta di calibrazione trovata

NB: si trova sperimentalmente che se si utilizzano termometri contenenti gas diversi, la misura effettuata pressoch indipendente dal tipo di gas usato se la pressione del gas bassa e la temperatura molto al di sopra del punto di liquefazione a tale pressione

Termometri a gas a volume costante(3)

Se consideriamo di utilizzare termometri con lo stesso gas nel bulbo ma a pressioni alla temperatura T=0C diverse, si ottengono delle curve di calibrazione diverse ma comunque rettilinee ( fin quando la pressione non troppo alta) che convergono tutte in uno stesso punto:

Indipendentemente dal gas o dal valore di pressione di partenza (comunque bassa) la pressione viene estrapolata a 0 quando la

temperatura -273,15C (0K)

Il valore T=-273,15 C=0K, base della scala Kelvin detto zero assoluto Lo zero assoluto un valore che non pu essere mai raggiunto e corrisponde al vuoto assoluto (P=0)

C -273,15T 0P =

Termometri a gas a volume costante (4)

p

p0

Nella realt per tarare il termometro si prendono come punti di riferimento: il punto triplo dellacqua: P3 = 0,6117 kPa e T3 =273,16 K [0.01C] (il bulbo viene messo a contatto termico con un recipiente contenente acqua al punto triplo) il punto a 0k [-273,15C]. Abbiamo:

33 CpT =

Si pu quindi eliminare la costante C dallespressione della temperatura:

3

3

pTC =

ppTT3

3=

=

=

333 16,273 p

pKppTT

Dove p deve comunque essere molto bassa

Scala Assoluta - Scala Celsius - Scala Fahrenheit

La scala in kelvin una scala assoluta, il suo valore zero non arbitrario in quanto associato alla caratteristica di vuoto assoluto, valida per tutti i materiali. La scelta dello zero sulla scala Celsius invece arbitraria, perch dipende da una caratteristica fisica di una materia in particolare, lacqua Quando nelle equazioni termodinamiche si trova la temperatura essa va sempre espressa in gradi kelvin!! Un rapporto tra temperature valido solo se entrambe sono espresse in kelvin Poich lampiezza di 1 grado Kelvin e quella di un grado centigrado sono uguali vale la seguente con