Equilibrio termico tra solidi (Exe)

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Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica

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Politecnico di Milano

Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica

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Il corso affronta le tematiche della meccanica e della termodinamica, fornendo le nozioni che risultano utili per affrontare insegnamenti di fisica di base, a partire dalla comprensione del metodo sperimentale per poi mostrare le grandezze fondamentali e loro relazioni in tali ambiti, imparando a identificarle, distinguerle e utilizzarle. Gli argomenti affrontati relativamente alla meccanica sono, divisi per settimane: · cinematica del punto materiale ed esempi di moti · dinamica del punto materiale ed esempi di forze · lavoro, energia, urti e gravitazione universale mentre per la termodinamica si ha · cinematica e dinamica dei liquidi ideali · temperatura, gas ideali, calore, macchine termiche ed entropia All’interno di ogni settimana si trovano video relativi a lezioni, esercizi ed approfondimenti su alcuni argomenti, nonché quiz a risposta chiusa allo scopo di fornire allo studente l’opportunità di un primo feedback di auto-valutazione. Ognuna delle tematiche si chiude poi con un quiz riepilogativo per verificare l’acquisizione delle nozioni presentate.

À partir de la leçon

TERMODINAMICA

La termodinamica si occupa di studiare la relazione tra i fenomeni meccanici (visti in precedenza) e quelli termici (relativi al riscaldamento) del sistema, come nel caso di forze d'attrito; in particolare, la termologia è quella branca della termodinamica che studia la generazione e la propagazione del calore, una diversa una forma di trasferimento di energia utile a produrre i fenomeni termici. La termodinamica classica non tiene conto di come sia fatta la materia, ma cerca di derivarne le proprietà e relative leggi in base all’osservazione, senza tentare di darne una spiegazione, con un approccio empirico; nasce così ad esempio la definizione di temperatura. Come in precedenza per i liquidi ideali, verrà presentato il caso del gas ideale mostrandone le caratteristiche principali, possibili sue trasformazioni e alcune applicazioni quale l'uso in macchine termiche per la produzione di lavoro.

Lavoro termodinamico - Parte I7:14

Lavoro termodinamico - Parte II4:04

Lavoro termodinamico - Parte III2:10

Calore e calore specifico8:42

Esperimento di Joule6:05

Trasformazioni di fase6:15

Stati della materia2:55

Gas e vapore5:57

Equilibrio termico tra solidi (Exe)5:14

Equilibrio termico bifase (Exe)5:36

Rencontrer les enseignants

Maurizio Zani
Assistant Professor
Physics Department

Consideriamo una barretta di rame di massa pari a 0.5 kg alla temperatura di 873 K. Riportiamo

il calore specifico del rame pari a 385 J/kgK. A questo punto appoggiamo al di sopra della barretta

di rame, assicurandoci che ci sia un buon contatto termico, una barretta di alluminio

di massa pari a 1 kg che si trovi alla temperatura dell'ambiente pari circa 300 K. E riportiamo

il calore specifico dell'alluminio pari a 896 J/kgK. Supponendo che questo sistema sia

termicamente isolato rispetto all'ambiente, vogliamo calcolare quanto valga la temperatura

finale a cui si porta il sistema all'equilibrio termodinamico. Per fare questo possiamo utilizzare

la legge fondamentale della calorimetria, che afferma che la somma dei calori scambiati

dai vari sottosistemi, in questo caso 2, deve essere pari a 0. Chiamiamo Q_cu il calore

scambiato dalla berretta di rame. E chiamiamo invece Q_Al il calore scambiato dalla barretta

di alluminio. La legge della calorimetria ci dice che la somma dei calori scambiati

dai 2 sottosistemi deve essere pari a 0. Sviluppiamo quindi l'espressione generale per la quantità

di calore scambiata dal rame, e la quantità di calore scambiata dall'alluminio. Q_cu si

scrive come la massa del rame per il calore specifico del rame per la temperatura finale

di equilibrio del sistema meno la temperatura iniziale della barretta di rame, più, scriviamo

ora in modo esplicito la quantità di calore scambiata dalla barretta di alluminio, avremo

che la massa della barretta di alluminio per il calore specifico della barretta di alluminio,

per la temperatura finale, meno la temperatura iniziale dell'alluminio, deve essere pari

a 0. Sviluppiamo l'espressione m_cu c_cu per la temperatura iniziale del rame, più

m_Al c_Al per la temperatura iniziale dell'alluminio, deve essere pari a m_cu calore specifico

del rame per la temperatura finale del sistema più la massa dell'alluminio, per il calore

specifico dell'alluminio, per la temperatura finale del sistema. Isoliamo quindi la temperatura

finale al secondo membro dell'equazione, e otteniamo che T_f deve essere pari al rapporto

tra m_cu c_cu per la temperatura iniziale T_cu + m_Al c_Al per la temperatura iniziale

della barretta di alluminio, diviso m c u, c_cu+m_Al c_Al. A questo punto introduciamo

tutti i numeri a nostra disposizione e otteniamo un valore pari a circa 401 K. Come possiamo

vedere la temperatura finale di equilibrio del sistema è data dalla media delle temperature

iniziali dei 2 sottosistemi pesata con la massa dei due sottosistemi e il calore specifico

dei 2 sottosistemi. Prendiamo ora il valore della temperatura finale esplicito,

cioè pari a 401 K e inseriamolo all'interno delle espressioni per la quantità di calore

scambiata dalla barretta di rame e quella scambiata dalla barretta di alluminio. La

temperatura finale T_f è minore della temperatura iniziale della barretta di rame. Questo significa

che T_f-T_cu sarà < di 0, e ciò significa che la quantità di calore scambiata dalla

barretta di rame sarà < di 0, in accordo con la convenzione che il calore ceduto dalla

barretta di rame deve essere negativo. Nel secondo caso invece la temperatura finale

T_f è maggiore della temperatura iniziale della barretta di alluminio. Questo significa

che T_f-T_Al in questo caso sarà > di 0 e quindi anche la quantità di calore scambiata

dalla barretta di alluminio sarà > di 0, in accordo con la convenzione che il calore

assorbito, in questo caso dalla barretta di alluminio deve essere positivo.

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