Termodinamica zero una presentazione intuitiva della termodinamica IL problema Come sfruttare IL calore per produrre lavoro meccanico?



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TERMODINAMICA ZERO una presentazione intuitiva della termodinamica


Il problema

  • Come sfruttare il calore per produrre lavoro meccanico?



La termodinamica

  • E’ la Termodinamica la scienza che si occupa di come il calore , una particolare forma di trasferimento di energia, possa trasformarsi in lavoro, un’altra forma di trasferimento di energia.



Da dove cominciamo?

  • Esploriamo alcuni concetti di base:

      • Lavoro
      • Calore
      • Temperatura


Lavoro come modalità di trasferimento dell’energia

  • Conosciamo già una modalità di trasferimento di energia, il lavoro. Per esempio, applicando una forza F ad un corpo per un determinato spazio s, si modifica l’energia cinetica del corpo. Il corpo accelera, passando dalla velocità v1 alla velocità v2.

  • La sua energia cinetica passa dal valore E1 = ½ m v12 al valore E2 = ½ m v22

  • Il teorema dell’energia cinetica ci assicura che tramite il lavoro L= F∙ s si trasferisce energia al corpo cosicché la sua energia cinetica aumenta da E1 a E2:

  • E1 o E2



Quando diciamo che si trasferisce calore? (1)

  • A)Quando un cubetto di ghiaccio si scioglie diciamo che passa calore dall’ambiente, più caldo, al cubetto di ghiaccio, più freddo



Quando diciamo che si trasferisce calore? (2)



Quando diciamo che si trasferisce calore? (3)

    • ma anche in altri fenomeni è in gioco il trasferimento di calore, per esempio:
    • nei passaggi di stato (solido - liquido - gas)
    • nelle reazioni chimiche
    • nelle reazioni nucleari


Cosa significa trasferire calore?

  • Per capire cosa significhi trasferire calore, o energia termica, ad un corpo, bisogna riuscire a descrivere i fenomeni coinvolti da un punto di vista microscopico, ricordando che la materia, sia allo stato solido che liquido che gassoso è composta da atomi e molecole in continuo movimento



Come facciamo a saperlo?

  • Ricordiamo almeno una prova del movimento delle molecole, che riguarda i fluidi: il moto browniano



Il moto browniano

  • Se all’interno di un liquido si introducono particelle solide

  • di dimensioni molto piccole, dell’ordine di 1 micron (10-6)m

  • e si osserva al microscopio una goccia di liquido si può

  • vedere che le particelle solide si muovono in modo molto

  • irregolare. Questo fenomeno viene chiamato moto

  • Browniano perché descritto per la prima volta nel 1828 dal

  • botanico Robert Brown che aveva osservato al

  • microscopio il movimento di granuli di polline di licopodio

  • in acqua.

  • Nel 1905 Einstein interpretò il moto dei granuli come dovuto alle fluttuazioni del numero di urti delle molecole di liquido su ogni granulo di polline.



L’energia interna

  • Se è vero che le molecole si muovono incessantemente, esse possiedono energia cinetica Ec (dovuta al movimento) ed energia potenziale Ep( dovuta alla interazione tra le molecole)

  • La somma di tutte le energie cinetiche e potenziali si chiama energia interna U

  • Nel modello che adotteremo per studiare il comportamento delle molecole, in particolare nei gas( modello del gas perfetto), l’energia potenziale è molto piccola rispetto a quella cinetica. In esso l’energia interna è uguale alla somma delle energie cinetiche delle varie molecole:

  • U = somma Ec



Il calore e l’energia interna

  • Il calore trasferito ad un sistema, attraversa la superficie di contorno che separa il sistema dall’ambiente e si trasforma in energia interna U accumulata.

  • Ma tramite quale meccanismo microscopico il calore si trasferisce?



Ipotesi di trasferimento del calore a livello molecolare

  • Supponiamo di porre una pentola sul fuoco:

    • Le molecole contenute nella fiamma vanno a colpire le molecole del metallo che costituisce la pentola
    • nelle molecole del metallo aumenta l’energia cinetica, cioè aumentano l’ampiezza e la la velocità di vibrazione; questi aumenti si comunicano all’acqua contenuta nell’interno
    • anche le molecole dell’acqua aumentano la loro velocità


Trasferimento (2)

  • Sperimentalmente si può verificare che l’ipotesi fatta è corretta

  • Vedremo (con la teoria cinetica dei gas) che è possibile ricavare un modello in grado di giustificare queste ipotesi. Da esso ricaveremo il significato microscopico di grandezze come temperatura, energia interna, pressione, ecc.



Sorgenti di calore

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