Corso di fisica Termodinamica: Sistemi termodinamici temperatura e calore

Introduzione alla Termodinamica

📘 1.1 Che cos’è la termodinamica: definizione e ambiti di applicazione

Termodinamica significa letteralmente “movimento del calore”. È la branca della fisica che studia le trasformazioni dell’energia, in particolare tra calore e lavoro, e il comportamento macroscopico dei sistemi.

Ambiti di applicazione:

  • Fisica: studio dei gas, delle trasformazioni energetiche.
  • Chimica: spontaneità delle reazioni.
  • Ingegneria: progettazione di motori, turbine, impianti termici.
  • Biologia: metabolismo cellulare.
  • Meteorologia: studio delle masse d’aria e dei fenomeni atmosferici.

🧱 1.2 Sistemi termodinamici: aperti, chiusi, isolati

Un sistema termodinamico è una porzione di materia delimitata da confini reali o immaginari, separata dall’ambiente esterno.

  • Sistema aperto: scambia materia ed energia con l’ambiente (es. pentola scoperta che bolle).
  • Sistema chiuso: scambia solo energia, non materia (es. bottiglia sigillata che si riscalda).
  • Sistema isolato: non scambia né materia né energia (es. contenitore perfettamente termoisolato).

👉 Importante: la distinzione tra i sistemi aiuta a comprendere il flusso di energia e a impostare correttamente i bilanci energetici.

⚖️ 1.3 Variabili di stato e funzione di stato

  • Variabili di stato: quantità che descrivono lo stato del sistema in un certo istante (es. pressione, volume, temperatura, energia interna). Possono essere intensive (indipendenti dalla quantità di materia, come la temperatura) o estensive (dipendenti, come il volume).

  • Funzione di stato: grandezza che dipende solo dallo stato iniziale e finale, non dal percorso (es. energia interna, entalpia, entropia). Al contrario, calore e lavoro non sono funzioni di stato: dipendono dal processo.

🧠 Esempio: se l’acqua in un contenitore passa da 20°C a 100°C, la variazione di temperatura è funzione di stato. Il calore richiesto dipende invece da come riscaldi l’acqua (velocemente o lentamente, in un forno o su un fornello...).

🔁 1.4 Trasformazioni termodinamiche

Una trasformazione termodinamica è un passaggio da uno stato all’altro. Si classificano in base alle variabili mantenute costanti:

  • Isoterma: temperatura costante → ΔT = 0
    • es. espansione lenta di un gas in bagno termostatico.
  • Isobara: pressione costante → ΔP = 0
    • es. bollitura dell’acqua a pressione atmosferica.
  • Isocora (o isovolumetrica): volume costante → ΔV = 0
    • es. riscaldamento di un gas in un contenitore rigido.
  • Adiabatica: nessun scambio di calore → Q = 0
    • es. compressione rapida di un gas in un cilindro ben isolato.

📌 Alcune trasformazioni possono anche essere reversibili (lentissime, ideali) o irreversibili (realistiche, dissipative).

📝 TEST DI AUTOVALUTAZIONE – Modulo 1

1. Quale delle seguenti grandezze è una funzione di stato?
A) Calore
B) Lavoro
C) Energia interna
D) Tempo

2. In una trasformazione isocora, cosa rimane costante?
A) Pressione
B) Temperatura
C) Volume
D) Entropia

3. Un sistema isolato...
A) scambia energia ma non materia
B) scambia solo materia
C) scambia sia energia che materia
D) non scambia né energia né materia

4. La termodinamica studia principalmente...
A) il moto dei pianeti
B) il comportamento delle onde
C) la conversione tra calore e lavoro
D) le interazioni nucleari

5. Una trasformazione in cui non avviene scambio di calore è detta...
A) Isotermica
B) Isobarica
C) Adiabatica
D) Isocora

✅ SOLUZIONI TEST

  1. C) Energia interna
  2. C) Volume
  3. D) non scambia né energia né materia
  4. C) la conversione tra calore e lavoro
  5. C) Adiabatica

2. Temperatura e calore 

🔍 Contenuti didattici

🔹 Concetto di temperatura: scale Celsius, Kelvin, Fahrenheit
  • Temperatura: misura dell’energia cinetica media delle particelle di un corpo. Non è una forma di energia, ma un indicatore dello “stato termico”.
  • Scale di temperatura:
    • Celsius (°C): punto di congelamento dell’acqua a 0°C e di ebollizione a 100°C.
    • Kelvin (K): scala assoluta. 0 K è lo zero assoluto, dove le particelle cessano di muoversi.
    • Fahrenheit (°F): usata principalmente nei paesi anglosassoni. Congelamento a 32°F, ebollizione a 212°F.
  • Conversioni:
    • °C → K: T(K) = T(°C) + 273.15
    • °C → °F: T(°F) = (9/5)·T(°C) + 32
🔹 Calore vs temperatura
  • Temperatura: indica lo stato termico.
  • Calore (Q): energia che si trasferisce da un corpo più caldo a uno più freddo.
    • Misurato in joule (J) nel SI.
    • È una forma di energia in transito, non posseduta.
🔹 Capacità termica e calore specifico
  • Capacità termica (C): quantità di calore necessaria per variare di 1°C (o 1 K) la temperatura di un corpo intero.
    • C = Q / ΔT (unità: J/°C o J/K)
  • Calore specifico (c): quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C (o 1 K) 1 kg di sostanza.
    • Q = mcΔT dove:
      • Q è il calore (J)
      • m è la massa (kg)
      • c è il calore specifico (J/kg·K)
      • ΔT è la variazione di temperatura (K o °C)
    • Es. acqua: c ≈ 4186 J/kg·K
🔹 Calorimetria: legge fondamentale della calorimetria
  • Calorimetro: strumento che misura gli scambi di calore.
  • Legge fondamentale: in un sistema isolato, il calore ceduto è uguale al calore assorbito.
    • Q_ceduto + Q_assorbito = 0
    • Applicabile in miscugli termici e in esperimenti con cambi di stato.
🔹 Cambiamenti di stato: calore latente di fusione e di vaporizzazione
  • Durante un cambiamento di stato (es. fusione o ebollizione), la temperatura rimane costante mentre il corpo assorbe/cede calore.
  • Calore latente (L):
    • Q = mL
    • L varia a seconda del materiale e del tipo di transizione (fusione, solidificazione, vaporizzazione, condensazione).
    • Es. acqua:
      • Fusione: L_f ≈ 334 kJ/kg
      • Vaporizzazione: L_v ≈ 2260 kJ/kg

🧪 Esercitazioni e casi applicativi

  1. Esperimento 1 – Misura del calore specifico

    • Si scalda una quantità nota di rame con una resistenza elettrica e si misura la variazione di temperatura.

  2. Esperimento 2 – Misura del calore latente di fusione del ghiaccio

    • Si inserisce del ghiaccio in acqua a temperatura nota e si osserva il cambiamento di temperatura fino alla completa fusione.

  3. Discussione guidata:

    • Perché la temperatura non cambia durante il passaggio di stato?
    • Come si applicano i principi della calorimetria nella conservazione termica degli alimenti?

✅ Test di verifica (con risposte in coda)

1. Quale tra le seguenti è una corretta unità di misura del calore?
A. °C
B. J
C. K
D. W

2. Se 1 kg di acqua viene riscaldato da 20°C a 80°C, quanto calore ha assorbito? (c_acqua = 4186 J/kg·K)
A. 125580 J
B. 251160 J
C. 167440 J
D. 300000 J

3. La temperatura resta costante:
A. Solo nei corpi perfettamente isolati
B. Quando non avviene alcuno scambio di calore
C. Durante i cambiamenti di stato
D. Quando si applica una compressione adiabatica

4. Converti 100°C in gradi Kelvin.
A. 100 K
B. 173.15 K
C. 273.15 K
D. 373.15 K

5. Quale tra questi è il calore latente di vaporizzazione dell’acqua?
A. 334 kJ/kg
B. 4186 J/kg·K
C. 2260 kJ/kg
D. 100 kJ/kg

🔁 Risposte corrette:

  1. B
  2. B
  3. C
  4. D
  5. C


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