TEMPERATURA

1. TEMPERATURA Il corpo umano percepisce le variazioni di temperatura con le sensazioni di caldo e freddo • Molte grandezze fisiche variano al variare della temperatura • volume dei corpi • pressione di un gas • viscosità di un liquido • resistenza elettrica È possibile usare una di queste grandezze fisiche per definire e misurare la temperatura

2. MISURA DELLA TEMPERATURA C 41 40 39 38 37 36 Per la misura della temperatura si usa il termometro: un bulbo riempito di mercurio che può espandersi in un capillare di vetro Al variare della temperatura del bulbo il mercurio di espande nel capillare e le sue variazioni di lunghezza sono tradotte in misura della temperatura La temperatura del corpo umano si misura con i termometri "a massima"

3. SCALE TERMOMETRICHE cambiamenti di scala F C 212 100 Farenheit Celsius 96 37 32 0

4. DILATAZIONE TERMICA 1.000 1.000 0.999 cm3 0.999 cm3 0.998 g/cm3 V0 V0 0.998 V0 V0 0.997 0.997 0 4 T (°C) Quasi tutti i corpi si dilatano quando la temperatura aumenta è il coefficiente di dilatazione termica L’acqua ha un comportamento anomalo: Il suo volume decresce con l’aumentare della temperatura fino a 4 C e poi aumenta all’aumentare della temperatura

5. LEGGI DEI GAS PERFETTI Isoterma   = cost pV = cost Isobara  p = cost V = Vo(1+) Isocora  V = cost p = po(1+) Per tutti i gas reali risulta approssimativamente Si chiama gas perfettoogas ideale, quel gas che obbedisce incondizionatamente alle precedenti leggi.

6. EQUAZIONE DI STATO n : numero di moli R: costante universale T: temperatura assoluta pV= nRT mole: quantità in grammi pari alla massa molecolare NA (numero di Avogadro): numero di molecole contenute in 1 mole (6.021023) T= c+273.2oC e si misura in gradi kelvin (K)

7. CALORE All’interno di un solido, liquido, gas, le molecole sono in un continuo moto di agitazione completamente disordinato. Si chiama energia interna la somma delle energie, cinetica (moto di agitazione molecolare) e potenziale (forze di legame intermolecolare), possedute dagli atomi e dalle molecole che costituiscono un corpo. La temperatura è la misura dell’energia cinetica media delle molecole.

8. CALORE È stato osservato che ad ogni diminuzione di energia meccanica, si verifica un riscaldamento, cioè la produzione di calore. Si chiama calore l’energia assorbita o ceduta da un corpo a livello molecolare, cioè l’energia direttamente assorbita o ceduta dalle molecole del corpo. Il calore scambiato da un corpo può produrre: 1) una variazione di temperatura (variazione dell’energia molecolare); 2) una variazione dello stato di aggregazione del corpo (modificazione dei legami molecolari, cioè dell’energia chimica).

9. CALORE kilocaloria (kcal) o grande caloria (Cal): quantità di calore necessaria per portare da 14.5 C a 15.5 C la temperatura della massa di 1 kg di acqua distillata. caloria o piccola caloria (cal): quantità di calore necessaria per portare da 14.5 C a 15.5 C la temperatura della massa di 1 g di acqua distillata. 1 kcal = 1 Cal = 1000 cal Il calore è una forma di energia e nel S.I. si misura in joule (J). Molti esperimenti hanno determinato l’equivalente meccanico della caloria 1 kcal = 4180 joule 1 cal = 4.18 joule

10. CALORE Se lo scambio di calore non modifica lo stato di aggregazione di un corpo, il calore scambiato è Q > 0 calore assorbito Q < 0 calore ceduto Q = C  (f - i) C = capacità termica Se il corpo è omogeneo C=mcs cs è il calore specifico e la sua unità di misura è

11. CALORE Quando due corpi a diversa temperatura sono posti in contatto termico, si ha passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo fino a quando essi assumono la stessa temperatura (equilibrio termico). m1 c1 ( - 1) + m2 c2 ( - 2) = 0 Temperatura di equilibrio

12. CAMBIAMENTI DI STATO Il cambiamento di stato avviene ad una definita temperatura che dipende dalla sostanza e dalla pressione esterna Il cambiamento di stato avviene isotermicamente ed è accompagnato da uno scambio di calore, legato alle variazioni dell’energia chimica di legame fusione ebollizione SOLIDO LIQUIDO VAPORE solidificazione condensazione

13. CAMBIAMENTI DI STATO Si definisce calore latente L la quantità di calore necessaria per far compiere isotermicamente all’unità di massa della sostanza un passaggio di stato Calore necessario per il passaggio di stato di una massa m di quella sostanza Per il passaggio di stato ghiaccio-acqua alla pressione atmosferica

14. CAMBIAMENTI DI STATO Cambiamenti di stato che avvengono a tutte le temperature ed i rispettivi calori latenti dipendono dalla temperatura sublimazione SOLIDO VAPORE LIQUIDO evaporazione L’evaporazione avviene sino a quando l’ambiente non raggiunge la saturazione, cioè non può contenere altre molecole di quel liquido (vapore saturo) La pressione o tensione di vapore saturo è caratteristica della sostanza ed è funzione crescente della temperatura

15. CAMBIAMENTI DI STATO Temperatura di un campione di acqua in funzione del tempo quando viene somministrato un flusso costante di calore a pressione costante (1 atm). 125 Temperatura (C) 100 75 50 p=1 atm 25 0 -25 Tempo

16. PROPAGAZIONE DEL CALORE Il calore si propaga per  conduzione (nei solidi senza movimento di materia) convezione (nei fluidi con movimento di materia) irraggiamento (per onde elettromagnetiche) La temperatura della pelle varia da punto a punto e sensibili variazioni di temperatura hanno luogo quando esiste qualche anomalia circolatoria o cellulare. Su questo principio si basa la termografia, in grado di rivelare variazioni di 0.1 C.

17. TERMOREGOLAZIONE La sorgente del calore corporeo è il metabolismo degli alimenti. Un uomo di 70 kg in condizioni di riposo produce circa 70 kcal/h; durante un esercizio fisico la produzione di calore può essere anche 20 volte maggiore La temperatura del corpo è rilevata da alcuni neuroni dell’ipotalamo, che sono sensibili alla temperatura del sangue circostante ed attivano alcuni meccanismi per mantenere affinché la temperatura rimanga costantemente uguale a 37 °C.

18. TERMOREGOLAZIONE I meccanismi di termoregolazione possono favorire la cessione del calore (vasodilatazione, sudorazione, ...), ridurla (vasocostrizione) o produrre calore (brivido, ...). L’equilibrio si raggiunge quando: Hm= Hc+Hi+Ht+He Hm: calore prodotto dal metabolismo Hc: calore dissipato per convezione Hi: calore dissipato per irraggiamento Ht: calore dissipato per traspirazione del sudore He: calore dissipato per evaporazione polmonare

19. LAVORO DI UN GAS p A B B1 A1 VA VB V Espansione di un gas a pressione costante Il lavoro è una forma di trasferimento d’energia fra sistema ed ambiente esterno diversa dal calore.

20. PRIMO PRINCIPIO TERMODINAMICA Q Ui Uf L Poiché il calore ed il lavoro sono due “modi di trasferimento dell’energia”, quando in un sistema termodinamico entra energia sotto forma di calore Q ed esce energia sotto forma di lavoro L, la loro differenza viene immagazzinata dal sistema sotto forma di energia interna U. D U = Uf - Ui = Q - L

21. SECONDO PRINCIPIO TERMODINAMICA I fenomeni naturali presentano un verso privilegiato di evoluzione, quando avvengono spontaneamente: 1) Il lavoro si trasforma in calore; 2) Il calore passa spontaneamente da un corpo più freddo ad un corpo più caldo. È possibile rovesciare il verso naturale di questi fenomeni È possibile trasformare una parte del calore prelevato ad una sorgente in lavoro, ma occorre cedere il rimanente ad un’altra sorgente ad una temperatura più bassa. È possibile trasferire del calore da un corpo “freddo” ad un corpo “caldo”, impiegando un certo lavoro.

22. SECONDO PRINCIPIO TERMODINAMICA Calore e lavoro, pur essendo due diverse forme di energia, non sono del tutto equivalenti: Il lavoro è una forma di energia ordinata (più pregiata), mentre il calore è una forma di energia disordinata (meno pregiata). Formulazione di Kelvin: “È impossibile realizzare una macchina che, lavorando in ciclo, trasformi interamente in lavoro il calore prelevato ad una sorgente.” Formulazione di Clausius: “È impossibile che il calore passi da un corpo più freddo ad uno più caldo senza una adeguata spesa di lavoro.” Si dimostra che le due formulazioni sono equivalenti.

23. METABOLISMO DEL CORPO UMANO L’energia utilizzata dall’organismo umano, per il suo funzionamento e per compiere una certa attività, è fornita dagli alimenti. Ad esempio: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 666 kcal alla pressione di 1 atm occorrono 134.4 litri di ossigeno per liberare 666 kcal. Valore calorico dell’ossigeno: Contenuto energetico del glucosio:

24. METABOLISMO DEL CORPO UMANO Misurando il consumo d’ossigeno è possibile calcolare la variazione di energia interna all’interno dell’organismo. Metabolismo basale: consumo di energia per kg di peso corporeo e per secondo in condizioni di riposo. In media i valori sono: per gli uomini per le donne

25. METABOLISMO DEL CORPO UMANO Valori approssimati delle potenze metaboliche per unità di massa relative ad un uomo di 20 anni durante lo svolgimento di varie attività in W/kg

26. METABOLISMO DEL CORPO UMANO Il calore prodotto viene solo in parte trasformato in lavoro. Il resto viene eliminato tramite i meccanismi di termoregolazione Efficienza con cui l’organismo utilizza l’energia chimica degli alimenti per compiere lavoro