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FISICA - Modelli atomici

fisica


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ALTRI DOCUMENTI

OBIETTIVO : studiare la condizione di un corpo su un piano inclinato (senza attrito)
L'Entropia
LA LEGGE DI COULOMB
RADIAZIONI IONIZZANTI
Le forze - La forza peso e l'unità di misura delle forze
Equilibrio dei corpi - DESCRIZIONE DEGLI STUMENTI USATI
Moto rettilineo uniforme
Appunti di Fisica - Metodo scientifico, Unità di misura ed errori
Laboratorio di Fisica - Legge dei punti coniugati
IL FENOMENO DELLA CONDUZIONE ELETTRICA

FISICA




DISCIPLINA

ARGOMENTO

Acustica

Lo studio delle proprietà del suono.

Fisica atomica (relatività)

Lo studio della struttura e delle proprietà dell'atomo.

Criogenia

Si occupa del comportamento della materia a temperature estremamente ba 525j96f sse.

Elettromagnetismo

Lo studio del campo elettromagnetico.

Fisica delle particelle elementari
o fisica delle alte energie

Si occupa dei più piccoli costituenti della materia.

Fluidodinamica (idrologia)

Lo studio del comportamento dei fluidi in moto.

Geofisica

L'applicazione della fisica allo studio della Terra. Suddivisa in idrologia, meteorologia, oceanografia, sismologia e vulcanologia.

Fisica  matematica

Lo studio dei modelli matematici applicabili ai fenomeni naturali.

Meccanica

Lo studio del moto dei corpi e delle sue cause.

Fisica molecolare

Lo studio della struttura e delle proprietà delle molecole.

Fisica nucleare

Esamina la struttura e le proprietà del nucleo atomico, le reazioni nucleari
e le loro applicazioni.

Ottica

Lo studio della propagazione della luce.

Fisica dei plasmi

Lo studio del comportamento di gas altamente ionizzati (elettricamente carichi).

Fisica quantistica

Studia il comportamento di sistemi microscopici applicando il concetto
di quantizzazione.

Fisica dello stato solido (semiconduttori-elettronica)

Si occupa delle proprietà fisiche dei materiali solidi.

Meccanica statistica

Applica i principi della statistica allo studio di sistemi costituiti da un numero altissimo di particelle.

Termodinamica (termologia)

Lo studio del calore e delle trasformazioni dell'energia da una forma all'altra.

Materie che fanno parte della fisica classica;

Materie che fanno parte della fisica moderna.

Modelli atomici

Il modello atomico attualmente riconosciuto è il punto di arrivo di una serie di sempre migliori approssimazioni proposte dai fisici teorici man mano che miglioravano i dati a loro disposizione. Rutherford fu il primo a proporre un modello in cui gli elettroni, negativi, ruotano intorno a un nucleo fisso positivamente carico. Bohr andò oltre introducendo il concetto di quantizzazione delle orbite elettroniche, ma il suo modello si rivelò valido solo per l'atomo di idrogeno. Schrödinger infine rivoluzionò l'idea di orbita elettronica intendendola non più come traiettoria fisicamente percorsa dall'elettrone, ma come regione di spazio in cui è più probabile che si trovi l'elettrone.

Bohr: struttura atomo di idrogeno H11


FC


= elettrone e -

La meccanica studia il moto del mobile e le cause che lo determinano nonché delle particolari condizioni di equilibrio o di stasi. Essa si divide in tre particolari branche:

- Cinematica: studia il moto del corpo materiale indipendentemente dalle cause che lo generano;

- Dinamica:   studia le cause che determinano il moto dei corpi. Esso si basa su tre principi   fondamentali:

1.      INERZIA;

2.      FORZE VIVE;

3.      AZIONE e REAZIONE.

Con la dinamica si introduce il concetto fondamentale di una forza che materialmente agisce e persiste durante il moto di un corpo. A tale riguardo i moti cinematicamente tipici della fisica classica sono:

·        Le leggi orarie di un mobile che si muove su una generica traiettoria con spazi e tempi determinati;

·        Moto rettilineo uniforme (concetto di velocità);

·        Moto rettilineo uniformemente accelerato (accelerazione);

·        Moto rettilineo uniformemente decelerato (decelerazione);

·        Moto rettilineo naturalmente accelerato (caduta dei gravi);

·        Moto circolare uniforme;

·        Moto circolare vario;

·        Moto periodico (pendolo);

·        Moto armonico;

·        Moti composti.

- Statica: è quella parte della meccanica classica che studia la condizione dell'equilibrio del corpo   materiale.

L'idrologia studia particolari condizioni dei corpi liquidi. Si divide in due parti fondamentali: l'idrostatica e l'idrodinamica che studiano rispettivamente la fisica dei liquidi in condizioni stazionarie e di moto.

La termologia studia lo stato termico dei corpi, la generazione e la trasmissione del calore.

L'ottica-acustica sono parti della fisica legate alla capacità percettive e sensoriali dell'uomo. Queste hanno maggior rilievo nelle discipline biologiche, meno in quelle tecniche.

L'elettrologia studia le parti elettriche della materia, le cariche elettriche, il loro moto e la generazione dei campi elettrici e magnetici.

La fisica atomica studia la struttura atomica della materia, le cariche microscopiche, le loro intensità e le loro forze.

La fisica dello stato solido è esclusivamente legata allo studio di nuovi materiali tecnologici: semiconduttori del moto, delle loro cariche, dei potenziali elettrici, delle conseguenti azioni di guadagno quando vengono opportunamente eccitati. Questa parte è quella più innovativa legata alla microelettronica.

Complementi sulle forze centripete e centrifughe nella fisica classica e moderna, nei fenomeni che riguardano moti "centrati", cioè rivolti verso un punto fisso detto centro caratterizzato da una traiettoria circolare o non; nascono due forze applicate al punto materiale che ne caratterizzano l'equilibrio dinamico.

Esempio.

Modello atomico degli elementi chimici ( H11 )

Oval:            Fc
L'elettrone si muove su di un'orbita circolare intorno al nucleo centrale, e sullo stesso agiscono due forza: la forza centripeta Fc e la forza centrifuga FC di uguale intensità ma di versi opposti.

FC

Fffcc

= elettrone e -

Oval: +


Secondo principio della dinamica:

F= m*a

Dalla cinematica, e quindi dal moto dell'elettrone si deduce che:

a = V2 / r                ;                a = Ω2 * r

FC Forza Centrifuga:

FC = m (w2 * r)    ;                 Fc = - m (w2 * r)

Ω = omega.

Esempi di applicazione ai componenti di equilibri dinamici labili (indeterminati).


P = massa del motociclista

più massa della moto;

R = reazione del terreno sulla

moto e sul motociclista

(la reazione è perpendicolare

al terreno);

Fc = forza centripeta che

spinge verso l'interno;

FC = forza centrifuga che

spinge verso l'esterno.

Meccanica dei fluidi


Meccanica dei fluidi Settore della fisica che studia il comportamento dei fluidi, ossia delle sostanze liquide e gassose, dal punto di vista statico e dinamico.

L'idrostatica studia le condizioni statiche dei liquidi.

L'idrodinamica studia condizioni del moto di corpi liquidi.

L'aerostatica studia la condizione dell'equilibrio di corpi aeriformi (gas, vapori).

L'aerodinamica studia la condizione del moto dei corpi aeriformi (gas, vapori).

Prima dello studio delle parti strutturali della meccanica dei fluidi è opportuno ricordare i quattro stati fondamentali della materia:

  1. SOLIDO;
  2. LIQUIDO;
  3. GAS;
  4. PLASMA (gas ionizzanti).

Il Plasma è uno stato altamente energetico cui corrisponde un equilibrio chimico - fisico meta stabile che ne produce un'immediata trasmutazione energetica sottoforma di diverse entità fisiche (calore, radiazioni elettromagnetiche, quantità energetiche emesse attraverso diversi indici di lunghezze d'onda).

SOLE =  D21 + T31         H4e2 + n10

Deuterio (D) e Trizio (T) danno Elio4 + 1 neurone + 2.7mev (milioni di elettronvolt);

Deuterio e Trizio sono isotopi radioattivi dell'idrogeno.

Caratteristiche dei fluidi:

 

q       Incomprimibilità;


Pistone


Liquido

q       Elasticità.


Liquido

(si dirige verso le pareti)

ρ = m / V = Kg / m3

γ = P / V = mg / V = ρg

ρ = ro;

γ = gamma.

La Pressione

Pressione Rapporto tra la forza esercitata perpendicolarmente a una superficie e l'area della superficie stessa.Nel Sistema Internazionale (SI), l'unità di misura della pressione è il pascal, che equivale alla pressione esercitata perpendicolarmente dalla forza di un newton su una superficie di 1 m2.


La legge di Pascal afferma che la pressione applicata a un fluido contenuto in un recipiente si trasmette in ugual misura a tutte le direzioni e a tutte le parti del contenitore, posto che possano essere trascurate le differenze di pressione dovute al peso del fluido.

F

Pistone Serbatoio idraulico con liquido


Serie di piccole forze                        P = F / S

(la pressione è uguale alla forza applicata diviso la superficie di applicazione)

Liquido

Le forze che si generano sono proporzionali al rapporto tra la forza applicata e la superficie di applicazione della stessa.

Il fluido nel serbatoio è incomprimibile ma possiamo applicare un foro alla base. Così facendo.

F


Valvola (rubinetto)



P = F / S*

Superficie di applicazione (S*)

Siccome la pressione è inversamente proporzionale alla superficie di applicazione ne segue che:

q       Se S* è piccola la pressione è grande;

q       Se S* è grande la pressione è piccola.

Le pressioni vengono regolate attraverso le superfici di applicazione.

 

 

 

 

 

 

 

 

Applicazione della pressione in due serbatoi idraulici-Torchio idraulico

F2

F1

Valvola (rubinetto)


Serbatoio S2                                                   Serbatoio S1

Canale di carico

Il serbatoio S1 è comunicante con il serbatoio S2 attraverso un canale di carico.

P1 = P2     ;     F1 / S1 = F2 / S2     ;     F2 = F1 * S2 / S1


Se invece S1 è piccolo e S2 è grande, si ha che:

F2                                F1

Serbatoio S2                                                                          Serbatoio S1

F2 = F1 * S2 / S1                                           F2 sarà molto grande


Se S2 = 2 volte S1 (2 S1)                         F2 = F1 * 2 S1 / S1   ;   F2 = 2 F1

La Pressione idrostatica


Molecole ingrandite: ogni strato preme sull'altro.

h

Serbatoio idrico senza pistone

P = p / S  = g * h * S / S = g h  peso specifico per l'altezza della colonna di liquido

P = pressione;  p = peso;  g = peso specifico

 


p = m * g

g = p / V = Kg / m3

P = g * V = g * S * h

P idr = g * h = Kg / m3 * m

Variazione della pressione idrostatica in funzione della quota idrica.

P idr = g * h

* = la pressione idrostatica è nulla;

** = la pressione idrostatica è massima(si considera la base come somma dei pesi di tutti gli strati).


*


h


**

Principio dei vasi comunicanti


S1 = S2

h1  = h2

H2O

h1                R

*                                                    *                              H2O    h2

S1                                          S2

* = Se R è aperto.

S1                                                                              S2

P idr. = g * h1                                             P idr. = g * h2

R chiuso =                     P idr.1 ³ P idr.2                  g h1 ³ g h2

R aperto =             P idr.1 = P idr.2                      h1 = h2

Meccanica aeriformi


- Aerostatica;

- Aerodinamica.


- Gas: rimane a quello stato imperturbabile;

- Vapori: viene generato da un cambiamento di stato (es. Solido - Liquido)

Proprietà:

q       Elasticità;

q       Comprimibilità;

q       Fluidità.

Legge di Boyle Mariotte

Si prendono 3 serbatoi metallici in cui viene rilasciato un gas di espansione. Tramite un pistone esterno vengono applicate delle forze e si rilevano immediatamente le variazioni di volume.

F                             

2F                                                                       3F


V / 3

T = cost.                     T = cost.                              T = cost.

Da questo momento le grandezze fisiche che intervengono nei vari procedimenti sono:

q       Pressione ( P );

q       Volume ( V );

q       Temperatura ( T ) = variabile termodinamica che esprime lo stato del fenomeno fisico.

P = cost. / V           PV = cost.         ( T = cost. )

V

Ramo di iperbole equilatera

che esprime la legge di Boyle Mariotte.

V1

V2

La pressione e il volume sono inversamente proporzionali.

Con cosa si può sostituire P?

Con F. Perché?

Perchè P = F/S e visto che la superficie di applicazione è costante in tutti e 3 i casi si può eliminare.

Legge di Archimede


Equilibrio tra il peso e la reazione                                              La spinta è proporzionale alla massa

vincolare offerta dalla massa idraulica                                        che prima non c'era.

che si chiama spinta.


F = S = m * a  =  g * V * g


S            F = P / V * V

Un corpo di massa "m" immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l'alto proporzionale al volume della massa fluida spostata applicata al baricentro del corpo di massa "m"; cioè al centro di spinta dell'intero sistema meccanico idraulico.

Se:

 


1.     S =  P                Equilibrio stabile;

2.     S >  P                Galleggia;

3.     S  <  P               Affonda.


Perché "m * a = γ * V" ?

γ = P / V;                    γ = mg / V;                 m = γ * V / g;

si sostituisce a  "m * a" e si ha:

 


pγ * V / g   *  g  =  γ * V

La Pressione Atmosferica


-         Aerostatica;

-         Aerodinamica.

Esperienza di Torricelli

Torricelli ha misurato per la prima volta a livello del mare la pressione atmosferica.

100 cm

76 cm.

Pr. Atm.                                              Hg

Hg


Numero fisso:

            g * Hg = 13,56 g / cm3

 
P idr. = P. atm.


P atm. = g * h = 13,56 g / cm3 * 76 cm = 1033,2 g / cm2

P atm. = 1033 g / cm2


P atm. = 1,033 Kg / cm2

P atm. = 10,33 N / cm2

Perché "P idr = γ * h" ?

 

P idr = P / S;                         noto che   γ = P /V;   P = γ * V

γ * V  /  S                               noto che   V = S * h


γ * S * h  /  S   =  γ * h

Idrodinamica (argomento conclusivo della meccanica dei fluidi)

L'idrodinamica studia il moto dei fluidi e le cause che lo generano.

Legge di Castelli


Q = Portata idraulica;

Q = S * V

Q = m2 * m / S = m3 / S ; l / S

S

Condotto irregolare

Flowchart: Delay:    V2


Q1 = Q2

S1 * V1 = S2 * V2  dividi per S1

V1 = S2 / S1 * V2    dividi per V2

S2                                                          S2 / S1 = V1 / V2  il rapporto tra le

superfici è inversa-

mente proporzionale

S1                                                                                                                                                      al rapporto tra le

velocità.

Se la superficie è piccola la velocità è grande.




Velocità del getto

T + U = E

T = energia cinetica;

h                                                                                               U = energia potenziale;                                                                                                                       E = energia meccanica dell'intero sist.

V ( velocità flusso)

Posizioni:

  1. Chiuso:           T1 + U1(max!) = E
  2. Aperto:           T2 (max!) + U2 = E

Sistema fisico


U1 = T2                        mgh = 1 / 2 mv2                       2mgh = mv2                V = √2gh

Equazione di Bernoulli

Si considera il moto idrico in un condotto con asse orizzontale che presenta una strozzatura.

P1                            P2                                       P3


P = F / S

V1                       V2                                 V3

S1 = S3

S1                       S2                                S3

P + ½ mv2 = cost.                   ½ mv2 = somma delle energie cinetiche;

(Tc = ½ mv2)                                    m = m/V = massa volumetrica ;

Bisogna sostituire m con m/V perché un fluido

non ha una massa definita;

Tc = ½ m/V *v2                                      m/V = r (ro)

P + ½ r v2 = cost.                                    La somma delle pressioni più la somma dei       termini cinetici è costante.

Tc = termini cinetici

Condotto con asse irregolare


S2

P + ½ mv2 = cost.

S1                                V2

P + ½ rv2 = cost.

V1

Termini potenziali = P, Tc, V = mgh


P + ½ mv2 + mgh = cost.

P + ½ mv2 + m/V gh = cost.

P + ½ rv2 + rgh = cost.                                                       Si divide tutto per rg ...

P / rg  +  ½ rv2 / rg  +  rgh / rg = cost.

P / rg + ½ v2/ g + h =cost.                                                    Noto che g = P / V = mg/V = rg

P / g + v2 / 2g + h = cost.

Contributo delle pressioni      contr.delle energie cinetiche     altezza della colonna idrica

Applicazione

S2 > S1

P / γ + V2 / 2g + h = cost.

S1)  P1 / γ + V21 / 2g + h1 = cost.

S2) P2 / γ + V22 / 2g + h2 = cost.

P2 - P1 / γ  +  V22 - V21 / 2g  + (h2 - h1)

Termologia

Studia le genesi e le leggi di trasporto del calore.


Riscaldamento   - Aumento dello stato termodinamico;

Stati che ci circondano

Raffreddamento - Abbassamento di temperatura.

1) Riscaldamento:

Q = quantità di calore dal corpo

Pentola                                                            piccolo al grande.


Acqua                                     Potere del gas di essere combusto

che libera energia (calore).

Fornello acceso

t > t 0      Al variare del tempo c'è un aumento della temperatura.

2) Raffreddamento:


Pentola


Acqua

Fornello spento

t >> t 0        Al variare del tempo la massa cederà calore -all'ambiente esterno quindi la pentola si raffredderà.

- Dal punto di vista microscopico il discorso va fatto su strati molecolari interni delle sostanze:

1) Riscaldamento:                                        Q (calore)

Le molecole oscilleranno sotto questa forma

di energia e aumenteranno la loro velocità e

aumenterà la loro energia cinetica molecolare.

L'urto tra le particelle causa l'aumento della     temperatura.

2) Raffreddamento:


Le molecole in moto libero vengono rallentate. Questo rallentamento produce una diminuzione di urti, una diminuzione di vibrazioni e quindi alla fine arriveremo alla quiete molecolare della massa volumetrica.Tutto ciò produce una cessione di calore verso l'ambiente esterno.

Da un punto di vista fisico si traduce con una semplice forma:

Q = mCs (T2 - T1)              T2 >  T1

Legenda :

Q = calore ;

m = massa geometrica del corpo ;

Cs = calore specifico del corpo; è una caratteristica tipica e soggettiva del corpo e                   rappresenta come il corpo risponde all'interazione termodinamica;

T2 - T1 = variazione della differenza di temperatura.

- La quantità di calore cresce con la massa del corpo.

Il flusso termico è proporzionale alle differenze di temperatura:

Q = f (D T)  se   DT > 0               DT = T2 - T1 > 0             T2 > T1

Applicazione

1) Inverno :

T2 = 20o C                                                                                         T1 = 2o C


aula                              fuori

DT grande = Q maggiore

DT = T2 - T1 = 20o - 2o = 18o C

Q = mCs (18oC)

2) Estate:

T2 = 20o C                                                 T1 = 14o C

DT = 20 - 14 = 6o C

Q = mCs (6oC)

La quantità di calore Q è direttamente proporzionale alla differenza della temperatura dei corpi posti a contatto. Essa cresce linearmente al crescere di tale differenza di temperatura.

Q rappresenta il flusso di calore e si misura in 2 unità:

-         cal     = piccola caloria;

-         Kcal  = grande caloria.

Si definisce "cal" la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatuta di 1 grammo di acqua distillata da  14.5oC a 15.5oC.

Si definisce "Kcal" la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1 Kg di acqua distillata da  14.5oC a 15.5oC.

1 Kcal = 1000 cal

Kcal = 103 cal

La temperatura

La temperatura è una grandezza fisica di enorme valore termodinamico. Affinchè si possa definire in maniera oggettiva la sensazione corporea di caldo o freddo sono state  stabilite delle scale termometriche:

1) Scala Celsius ( oC)

100o      Evaporazione

Rappresenta la temperatura di ebollizione dell'acqua           nella pressione atmosferica e quindi il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso.

0o                             Solidificazione

Rappresenta il punto di riferimento dello zero della scala

centigrada ed è pari al valore assunto dall'acqua quando

passa dallo stato liquido a quello solido.

1 grado centigrado è la centesima parte della temperatura compresa tra il valore di solidificazione e quello di evaporazione dell'acqua all pressione atmosferica.

2) Scala Renoir (oR)


80o                           Evaporazione

1 Ro = 1 / 80

0o                             Solidificazione

3) Scala Kelvin o assoluta (oK)


Nel Sistema internazionale la temperatura si misura in Kelvin.

373.15                  - 273.15 rappresenta la temperatura assoluta in cui si osserva

la completa solidificazione delle molecole dell'acqua  e

0o                    273.15                             quindi l'assoluta quieta molecolare nel cristallo.

- 273.15

Il termometro

E' lo strumento utilizzato per effettuare misurazioni di temperatura. Il tipo più comunemente usato è quello a mercurio (Hg), costituito da un tubo capillare di vetro, a diametro costante, che reca a una estremità un bulbo riempito del metallo liquido, il tutto sigillato per assicurare un vuoto parziale nel capillare. Se la temperatura aumenta, il mercurio si dilata e sale nel capillare: il livello raggiunto fornisce una misura indiretta di temperatura, che viene letta su una scala graduata propriamente tarata. Al posto del mercurio si possono usare alcol, etere o altri liquidi.


100o

Vaso capillare

0o

Bulbo

Teoria dei calorimetri

Serve a determinare il calore specifico dei corpi. I calorimetri sono gli strumenti di misura dei campi termici.

Q = mCs(T2 - T1)

Cs = Q / m(T2 - T2) = cal / Kg Co

I calorimetri più importanti sono:


-         Bunsen;

-         Mescolanze o ad acqua.

Il calorimetro di Bunsen

B

A


S                                                                                                        S0

E

C                       Cs


Hg

= "m"

(D)

Il calorimetro di Bunsen è un calorimetro tecnico, uno strumento di laboratorio formato da una ampolla di vetro (A) contenente acqua sulla quale è saldata una provetta (B). Questa è simmetrica rispetto all'ampolla che la contiene. Si fa evaporare un pò di etere (composto chimico simile all'alcool ed estremamente sensibile alla temperatura e altamente volatile, che evapora subito trasformandosi in gas) nella provetta in modo che si formi uno strato di ghiaccio attorno ad essa in conseguenza del raffreddamento dovuto all'evaporazione.

A questo punto, il calorimetro è pronto e viene immerso in un recipiente volumetrico ( C ) (che non consente scambi con l'ambiente esterno), che contiene ghiaccio fondente alla temperatura di 0°C.

Grazie all'etere, che assorbe il calore, i cristalli di ghiaccio che si formano fanno aumentare il vetro di volume. Il ghiaccio così è compresso e preme sul mercurio (Hg), facendolo scorrere nel condotto fino alla quota S0.

Ora si immerge nella provetta (B) una piccola quantità di un corpo solido caldo (temperatura ambiente: ΔT = 20oC) di massa "m" (D) e si nota che una parte del ghiaccio (ovviamente quello  esterno alla provetta) fonde a causa del calore fornitogli dal corpo. Così facendo il ghiaccio diminuisce di volume e sale verso l'alto,facendo rifluire il mercurio nel calorimetro.

B

Text Box:      
A

m

S                                                                                                        S0

E

C                       Cs


Hg

Ciò provoca (a causa delle proprietà dell'acqua) una diminuzione di volume del sistema acqua + ghiaccio contenuto nell'ampolla (A). Ciò significa che il ghiaccio causa una variazione dello stato termodinamico sciogliendo prima il ghiaccio e poi la restante parte.

Il calorimetro delle mescolanze

  D

 
A                                                 B



C

Il calorimetro delle mescolanze è un altro strumento per la determinazione del calore specifico dei corpi solidi (soprattutto).

E' composto da:

-         un termometro (A) che misura le variazioni di temperatura che avvengono all'interno del calorimetro;

-         un agitatore (B) che serve a rendere omogenea la temperatura del liquido;

-         un contenitore adiabatico ( C ) che non fa dissipare il calore;

-         un contenitore volumetrico (D) contenente acqua e contenuto dal contenitore adiabatico.

Dati iniziali:

 

m = massa H2O ;

cs = Cs H2O a T0 ;

C = calore specifico dell'intero contenitore;

M = corpo di massa "m".

Esperimento:

 

Si immerge il corpo M  (E) nel contenitore volumetrico.

  D

 
A                                                 B


C

E

M si trova ad una temperatura maggiore dell'acqua (T > T0)                    M cede calore

Q = MCs (T - T0)     dove Q è il calore ceduto dal corpo; ora il termometro misurerà T1> T0 ;


Q1 = mcs (T1 - T0)    calore acquistato dall'acqua;

Q2 = C (T1 - T0)        calore acquistato da tutto il recipiente;

Q* = mcs + C (T1 - T0)

MCs (T - T0) = (mCs + C) (T1 - T0)

Cs = mcs(N.B. H2O) + C(N.B.contenitore) (T1 - T0)

M (T - T0)

Dalle esperienze di fisica di laboratorio si determina il valore numerico del calore specifico dei corpi. Dalle stesse si può dedurre una definizione generale per il calore specifico:

"Si definisce calore specifico (Cs) di un corpo generico la quantità di calore necessaria per innalzare la sua temperatura di 1oC nell'unità di massa del corpo stesso."

La formula fisica è la seguente:

Q = mCs (T - T0)                   T > T0

Si pone quindi la massa unitaria                        Cs              m = 1

Cs =           Q                =    cal

m(T - T0)              g (Co)

Poniamo anche che                                          (T - T0) = 1oC

Q = Cs          C (capacità termica del corpo)

La capacità termica del corpo è la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1oC all'intera massa del corpo.

Complementi di calorimetria

Determinazione del calore specifico attraverso 1 Kg di ghiaccio.

Si parte dal presupposto che fisicamente esista un'equivalenza che ci dice che per sciogliere 1 Kg di ghiaccio c'è bisogno di 79,6 cal.

 


Ghiaccio "M"


QII


QI

"m" Tambiente = T1

Il corpo di massa "m" viene messo a contatto con un corpo volumetrico di un Kg di ghiaccio fondente. Il ghiaccio "M" assorbe calore, la massa "m" perde calore. Il ghiaccio cercherà di fondere (passaggio dallo stato solido a quello liquido) mentre il corpo "m" diminuisce di temperatura e passa da T1 a T0.

QI = mCs (T1 - T0)     calore ceduto;

QII = M * 79,6 cal     calore assorbito.

 

Equilibrio fisico:        QI = QII

MCs (T1 - T0) = M * 79,6 cal

Cs = M * 79,6 cal    =    79,6 cal         =   cal


m (T1 - T0)              m (T1 - T0)                Kg Co

GAS


- Cp = calore specifico del fluido a pressione ambiente;

Cs

- Cv = calore specifico a volume costante.

Nei fluidi, nei gas e nei vapori il calore specifico non può essere determinato in maniera unica così come nei materiali solidi ma necessita di due idonee definizioni.

Detti valori vengono determinati tramite la calorimetria e sono pubblicati sui testi. Dall'esame di detti risultati si evince che Cp è sempre maggiore di Cv.

Cp > Cv

Il calore specifico a pressione costante è molto maggiore per tutti i materiali di quello a volume costante; ciò è dovuto al fatto che nella determinazione di Cp si devono vincere le forze di pressione interne del fluido (GAS) e nello stesso tempo si devono superare le forze di pressione esterna (pressione atmosferica). Tale lavoro richiesto comporta una spesa energetica molto maggiore del caso a volume costante, dove le sole forza che agiscono sono quelle interne alla struttura metallica.

La trasmissione del calore

Le metodologie con le quali si può trasmettere il calore sono:

o       Conduzione;

o       Convezione;

o       Irraggiamento.

La conduzione consiste nella trasmissione del calore nello stesso corpo o in corpi messi a contatto senza trasporto di materia. La stessa riguarda corpi solidi nei quali si verificano differenza di temperatura oppure tra corpi solidi geometricamente differenti posti a contatto lungo una loro superficie; gli stessi corpi si trovano a temperature diverse tra di loro.

La convezione riguarda la trasmissione del calore tramite movimento di materia. Questa riguarda il mescolamento e il rimescolamento di parti di materia (liquide o aeriformi). La trsmissione di calore per convezione si divide a sua volta in due parti:

-   la convezione naturale;

-   la convezione artificiale.

La convezione naturale consiste nel movimento di parti di materia per effetti e per cause prettamente naturali;

La convezione artificiali consiste nella trasmissione di calore causata da forze esterne (realtà impiantistiche) che agiscono direttamente sulle masse fluide in movimento.

L'irraggiamento consiste nella trasmissione di calore sottoforma di radiazioni elettromagnetiche e/o infrarossi. Questa trasmissione di calore avviene da una sorgente puntiforme ad altissima temperatura.La propagazione di detto calore può avvenire in un mezzo aeriforme oppure nel vuoto.

Conduzione

T0


Corpo metallico vincolato

da una parte alla fiamma e

Parte mantenuta                      dall'altra alla nostra mano.

dalla nostra mano.


T1 = sorgente termica

T1 >> T0

Al passare del tempo si avrà un graduale innalzamento della temperatura dell'asta metallica. Anzi dopo transitori molto lunghi e anche per temperatura molto elevate l'asta metallica cresce rapidamente di temperatura anche nelle sue parti terminali e di conseguenza porta allo scottamento della mano dell'osservatore.

Ciò evidenzia ancora di più che si svrà una continua trasmissione di calore all'interno dell'asta metallica. La stessa viene favorita dalla forma geometrica che, essendo lunga e sottile, presenta un'enorme superficie di scambio termico.

Convezione

Si divide in:

1.      Naturale;

2.      Artificiale.

Avviene solo quando ci sono movimenti di massa (liquido-liquido; liquido-solido; solido-aeriforme; non è mai solido-solido)

La legge fisica di trasmissione di calore tra due corpi tramite movimento di materia viene causata dalle sole differenze di temperatura ed è proporzionale ad una semplice formula:

Q = h (T2 - T1) τ         T2 >> T1

Dove:

h = coefficiente di convezione;

τ = intervallo di tempo dell'osservazione del fenomeno fisico.



T1


Aria calda


Aria fredda

R   =  radiatore

Q = h S (T2 - T1) τ

Dove:

S = superifcie di scambio termico.

Convezione naturale

 


Dt  = 70o

Legenda:

R =  radiatori (ossia i termosifoni);

"Tubatura rossa" = acqua calda che entra nei radiatori;

"Tubatura blu"    =  acqua fredda che esce dai radiatori per entrare nella caldaia.

Convezione artificiale

Serve, ad esempio, a far salire l'acqua ai piani superiori di un edificio.


IRRAGGIAMENTO

Avviene senza movimento di materia e si propaga sempre dalla sorgente emittente al corpo esposto.

Lampadina                                                                                         Filamento di tungsteno

P = s * T4                                                                         (s = sigma)

La potenza di emissione (P) è pari al coefficiente di irraggiamento termico (s = sigma), per la temperatura della sorgente termica (T4).

La potenza d'irraggiamento emessa da una sorgente concentrata appare evidente che sia di grossa intensità (in quanto dipende dalla quarta potenza della temperatura) e pertanto riesce a superare degli ostacoli interposti e a raggiungere l'osservatore fisico, irraggiandolo.

La radiazione irraggiata colpisce i corpi. Questi subiscono delle interazioni molecolari interne che causano l'aumento dell'energia cinetica delle molecole che lo compongono. Queste molecole così "eccitate" subiscono degli aumenti delle loro velocità nei loro moti caotici. Alla fine di ciò le stesse molecole collidono tra loro, scambiano con gli urti le energie cinetiche derivanti dall'irraggiamento e fanno aumentare la temperatura del corpo.

Complementi della trasmissione del calore

Studio in una parete piana o "setto murario".

Sia data una parete caratterizzata da una superficie "S" e da uno spessore "s" che separa due fluidi.


T1                                                                                                                                                      T2

s

T1 >> T2

Per studiare il transitorio termodinamico tra le temperature estreme si riporta per semplicità una quantità metrica simile a quella del setto murario sia all'interno che all'esterno.

Tra le diverse zone abbiamo tute le possibili forme di trasmissione del calore, infatti:

  1. Convezione   (h)
  2. Conduzione   (k)
  3. Convezione   (hI)

L'esempio simula tutte le forme di trasmissione del calore. Nel primo elemento volumetrico si ha la trasmissione del calore per convezione, all'interno del corpo solido per conduzione e all'esterno dello stesso nuovamente per convezione.
La trasmissione per irraggiamento è presente ma è latente. Esaminando in modo approfondito le superfici interne ed esterne del setto murario, opportunamente riscaldate, diventano sorgenti emittenti di calore rispettivamente alle temperature TI e TII. Durante il passaggio complessivo da 1 a 3, la trasmissione di calore per irraggiamento è di piccola entità e la stessa viene asportata direttamente dalle correnti convettive naturali; pertanto  alla luce di ciò la trasmissione per irraggiamento può essere trascurata.

Lo studio complessivo del fenomeno fisico avviene attraverso la diminuzione della temperatura:

T1 - temperatura interna del fluido;

TI  - temperatura della superficie interna del setto murario;

TII - temperatura della superficie esterna del setto murario;

T2  - temperatura esterna del fluido.

Dall'esame fisico ne segue la trasmissione del calore in:

1)      Q1 = h S (T1 - TI)

2)      Q2 = k / s S (TI - TII)

3)      Q3 = hI S (TII - T2)

Durante il transitorio termodinamico si ammette la continuità del flusso termico, cioè:

Q1 = Q2 = Q3 = Q

Q1 = h S (T1 - TI)                          (T1 - TI) = Q / h*S

Q2 = k / s S (TI - TII)                     (TI - TII) = Q / k/s * S

Q3 = hI S (TII - T2)                               (TII - T2) = Q / hI * S


T1 - TI + TI - TII + TII - TII =            Q

h S + k/s + hI S

T1 - T2 =            Q

S (h + k/s + hI)

S (h + k/s + hI) = g

"trasmittanza complessiva dell'elemento che tiene conto dell'effetto convettivo- conduttivo - convettivo."

T1 - T2 =    Q

S * g

Da questa relazione si può determinare il flusso termico complessivo (Q):

Q = g * S (T1 - T2)

"Da ciò si intuisce che il flusso termico nella trasmissione in un setto murario è pari al coefficiente di trasmittenza complessivo per la superficie di scambio termico e la variazione di temperatura."

La dilatazione lineare


L0                                                                                                                        DL


L1

Corpo isotropo lineare = il calore si propaga nello stesso modo in tutte le direzioni.

Legenda:

L0 = lunghezza iniziale;

DL = incremento di lunghezza;

L1 = lunghezza finale.

DL = L1 - L0

DL / L0 = a D T  coefficiente della dilatazione termica

L1 - L0 / L0 = a D T

L1 - L0 = L0 a D T

L1 = L0 + L0 (a D T)

L1 = L0 ( 1 + a D T )  binomio della dilatazione termica lineare

Paolo Ciccone - IV H -  Liceo Scientifico "A.Romita" - A.S. 2000/01







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