Il primo principio della termodinamica
Mappa concettuale
Il primo principio della termodinamica stabilisce che l'energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata. Questo concetto è fondamentale per comprendere il trasferimento di calore, la capacità termica e le transizioni di fase. La relazione tra lavoro e calore, stabilita da Mayer e Joule, è essenziale per la fisica moderna e per lo studio dell'energia termica.
Riassunto
Schema
Il Primo Principio della Termodinamica e il Concetto di Energia Termica
Il primo principio della termodinamica è una formulazione della legge di conservazione dell'energia che afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra o trasferita tra sistemi. In particolare, considera il calore come una forma di energia in transito. Quando, ad esempio, l'energia meccanica di un sistema viene ridotta a causa di forze dissipative come l'attrito, si verifica un corrispondente aumento dell'energia interna del sistema, che può manifestarsi come un aumento della temperatura o un cambiamento di stato fisico. Julius Mayer e James Prescott Joule hanno contribuito a stabilire una relazione quantitativa tra lavoro e calore, con Joule che ha determinato sperimentalmente il rapporto di conversione tra energia meccanica e calore attraverso il suo celebre esperimento del mulinello. Questo ha portato alla definizione dell'equivalente meccanico del calore, che stabilisce che 4.186 joule di lavoro sono necessari per aumentare la temperatura di un grammo d'acqua di 1 grado Celsius, valore noto come caloria. La costante di proporzionalità J, o equivalente meccanico del calore, è una costante fisica fondamentale che lega il lavoro meccanico al trasferimento di calore, permettendo di misurare l'energia termica in joule.Calore, Temperatura e Capacità Termica
Il calore è energia in transito che si trasferisce tra corpi a differenti temperature, fino a quando non si raggiunge l'equilibrio termico. Il calore specifico è una proprietà fisica che indica la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado Celsius la temperatura di un kilogrammo di una sostanza. Questa proprietà varia in base alla sostanza e si misura in joule per kilogrammo per grado Celsius (J/(kg·°C)). La relazione tra il calore assorbito o ceduto da un corpo e la variazione di temperatura è espressa dalla formula Q=mcΔT, dove Q è il calore scambiato, c il calore specifico, m la massa e ΔT la variazione di temperatura. La capacità termica di un corpo è una grandezza che dipende dalla massa e dal calore specifico del materiale di cui è composto e indica la quantità di calore necessaria per variare la temperatura di un corpo di un grado Celsius.Equilibrio Termico e Transizioni di Fase
Quando corpi a diverse temperature vengono posti in contatto, avviene uno scambio di calore fino al raggiungimento di una temperatura comune di equilibrio. La temperatura di equilibrio in un sistema isolato può essere calcolata con la formula T=(C1T1+C2T2+...+CnTn)/(C1+C2+...+Cn), dove Ci e Ti rappresentano rispettivamente la capacità termica e la temperatura iniziale di ogni corpo. Durante le transizioni di fase, come la fusione o l'evaporazione, il calore assorbito o rilasciato non provoca variazioni di temperatura ma viene utilizzato per superare le forze intermolecolari e cambiare la struttura interna della sostanza. Il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono le quantità di energia necessarie per cambiare lo stato di un kilogrammo di una sostanza alla sua temperatura di fusione o di ebollizione, rispettivamente.Modalità di Trasferimento del Calore
Il calore si propaga a causa di una differenza di temperatura e può viaggiare attraverso la materia o anche nel vuoto. La conduzione è il trasferimento di calore che avviene nei solidi, dove il calore si trasmette attraverso le vibrazioni degli atomi e degli elettroni senza che vi sia spostamento di materia. La legge di Fourier quantifica il calore Q che attraversa una lastra omogenea in un intervallo di tempo Δt, in funzione dell'area A, della differenza di temperatura ΔT e dello spessore d della lastra, e dipende dalla conducibilità termica del materiale. La conducibilità termica è una proprietà che indica la facilità con cui il calore si propaga all'interno di un materiale; materiali con alta conducibilità sono considerati buoni conduttori di calore, mentre quelli con bassa conducibilità sono isolanti termici. Questa proprietà spiega perché alcuni materiali, come il metallo, sembrano più freddi al tatto rispetto ad altri, come il legno, a causa della loro maggiore capacità di condurre rapidamente il calore.
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Legge di conservazione dell'energia
Energia non può essere creata o distrutta
L'energia è una quantità costante che può solo essere trasformata o trasferita tra sistemi
Calore come forma di energia in transito
Riduzione dell'energia meccanica
Quando l'energia meccanica di un sistema diminuisce a causa di forze dissipative, si verifica un aumento dell'energia interna del sistema, che può manifestarsi come un aumento della temperatura o un cambiamento di stato fisico
Relazione tra lavoro e calore
Julius Mayer e James Prescott Joule hanno stabilito una relazione quantitativa tra lavoro e calore, con Joule che ha determinato sperimentalmente il rapporto di conversione tra energia meccanica e calore attraverso il suo celebre esperimento del mulinello
Equivalente meccanico del calore
Il rapporto di conversione tra energia meccanica e calore è definito come l'equivalente meccanico del calore, che stabilisce che 4.186 joule di lavoro sono necessari per aumentare la temperatura di un grammo d'acqua di 1 grado Celsius
Costante di proporzionalità J
La costante di proporzionalità J, o equivalente meccanico del calore, è una costante fisica fondamentale che lega il lavoro meccanico al trasferimento di calore, permettendo di misurare l'energia termica in joule
Calore come energia in transito
Trasferimento di calore tra corpi a diverse temperature
Il calore si trasferisce tra corpi a differenti temperature fino a quando non si raggiunge l'equilibrio termico
Calore specifico
Il calore specifico è una proprietà fisica che indica la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado Celsius la temperatura di un kilogrammo di una sostanza
Relazione tra calore, massa e variazione di temperatura
La quantità di calore scambiata tra un corpo e l'ambiente è determinata dalla massa del corpo, dal suo calore specifico e dalla variazione di temperatura, secondo la formula Q=mcΔT
Capacità termica
La capacità termica di un corpo dipende dalla sua massa e dal suo calore specifico, e indica la quantità di calore necessaria per variare la sua temperatura di un grado Celsius
Scambio di calore tra corpi
Temperatura di equilibrio
Quando corpi a diverse temperature vengono posti in contatto, avviene uno scambio di calore fino al raggiungimento di una temperatura comune di equilibrio, calcolabile con la formula T=(C1T1+C2T2+...+CnTn)/(C1+C2+...+Cn)
Transizioni di fase
Durante le transizioni di fase, come la fusione o l'evaporazione, il calore assorbito o rilasciato non provoca variazioni di temperatura ma viene utilizzato per superare le forze intermolecolari e cambiare la struttura interna della sostanza
Calore latente di fusione e di vaporizzazione
Il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono le quantità di energia necessarie per cambiare lo stato di un kilogrammo di una sostanza alla sua temperatura di fusione o di ebollizione, rispettivamente
Propagazione del calore
Conduzione
La conduzione è il trasferimento di calore che avviene nei solidi, dove il calore si trasmette attraverso le vibrazioni degli atomi e degli elettroni senza che vi sia spostamento di materia
Legge di Fourier
La legge di Fourier quantifica il calore che attraversa una lastra omogenea in funzione dell'area, della differenza di temperatura e dello spessore della lastra, e dipende dalla conducibilità termica del materiale
Conducibilità termica
La conducibilità termica è una proprietà che indica la facilità con cui il calore si propaga all'interno di un materiale, e spiega perché alcuni materiali sono considerati buoni conduttori di calore mentre altri sono isolanti termici
Il primo principio della termodinamica
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00
Primo principio della termodinamica
Legge conservazione energia: energia non creata/annientata, solo trasformata o trasferita.
01
Calore come energia in transito
Calore è energia che si sposta tra sistemi, non è contenuta staticamente.
02
Effetto dell'attrito sull'energia meccanica
Attrito riduce energia meccanica, aumenta energia interna sistema, può alzare temperatura.
