Trasformazioni di fase

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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.

From the lesson

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

Meet the Instructors

Maurizio Zani
Assistant Professor
Physics Department

Consideriamo nuovamente un corpo, chiamiamolo sempre A, a temperatura T_A, posto su una

piastra serbatoio ideale, a temperatura T_s. Se aspettiamo un certo intervallo di tempo,

la temperatura si deve portare a T_s. Il fatto che, posto un corpo su una piastra, avvenga

sempre questo tipo di cambiamento di temperatura non è del tutto generalizzabile. Per spiegare

meglio quello che può succedere durante una variazione di temperatura, consideriamo il

caso del piombo. Supponiamo, ad esempio, di fare un diagramma

in cui mettiamo la temperatura, che andremo a esprimere in °C, e mettiamo invece il tempo,

senza specificare esattamente se in secondi o in minuti. Supponiamo, però, di partire

dalla temperatura ambiente, quindi dallo stato A. Immaginiamo di voler portare questo blocco

di piombo ad una temperatura, per esempio, di 400 °C. Dunque, qui avremo 200 °C, qui

avremo 100 °C e qui avremo 300 °C. Che cosa ci immaginiamo di osservare? Partiamo

dalla temperatura ambiente: il blocco di piombo è sul serbatoio ideale, la temperatura inizierà

ad aumentare. E vedremo che il tentativo di questo corpo è quello di raggiungere i 400

°C. Se non che, quando arriviamo ad una temperatura particolare, pari a 327 °C, succede qualcosa

di inaspettato: osserviamo che la temperatura non cambia più, per un certo intervallo di

tempo; dopo, continuerà ad aumentare e poi si porterà alla temperatura del nostro serbatoio

ideale. Che cosa è successo? Noi partivamo da un

corpo solido di piombo e durante tutto l'innalzamento di temperatura noi abbiamo sempre questo corpo solido.

Ma, quando raggiungiamo 327 °C, iniziamo a osservare che esiste un equilibrio fra il

corpo solido e parte del corpo, che invece inizia a diventare liquido. Dunque abbiamo

qui, a 327 °C, la temperatura di fusione del nostro corpo.

Noi sappiamo, ormai, che quando poniamo un corpo sopra un serbatoio ideale, ci sta un

passaggio di calore dal serbatoio al corpo, nel caso in cui il serbatoio sia più caldo,

come in questo caso. Ebbene, quando arriviamo però a 327 °C, deve succedere qualcosa;

cioè, il calore che viene assorbito dal corpo non serve più per innalzare la temperatura,

seguendo la relazione Q uguale a massa del nostro corpo, calore specifico, ΔT. Da questa

relazione noi sappiamo che si assorbe un calore positivo e c'è una variazione ΔT di temperatura,

data la massa e il calore specifico, che è l'equazione che ci accompagna, per esempio,

durante tutta la variazione di temperatura dallo stato A a questo stato B. Ma da B a

C deve succedere qualche altra cosa, perché la temperatura non cambia più, è esattamente

fissata a 327 °C. Quindi, il calore serve per qualcos'altro. A livello microscopico,

quello che sta succedendo è che appunto non abbiamo più la nostra struttura solida, ma

gli atomi del piombo iniziano a porsi in un'altra condizione, in cui i legami non sono più

rigidi come prima, e dunque il sistema inizia a diventare liquido.

Questa coesistenza ci sarà fino a quando tutto il piombo non è diventato liquido.

Da quel momento in poi, quello che succede è che il serbatoio ideale sta fornendo calore

ad una sostanza liquida, che quindi aumenterà la sua temperatura, seguendo di nuovo questa

relazione, anche se ovviamente la massa sarà sempre la massa del piombo che noi avevamo,

ma il calore specifico sarà cambiato, perché non è più piombo solido, ma è piombo liquido.

Come possiamo però rappresentare e formalizzare il calore scambiato durante la trasformazione

di fase, dalla fase solida, che avviene qui, lo segniamo, alla fase liquida? Questo calore

è specifico per la sostanza: sarà sempre lo stesso se usiamo il piombo, sarà diverso

se usiamo l'oro, o un'altra sostanza. Ovviamente, servirà tanto più calore quanto

più è la massa della sostanza che dobbiamo portare dalla fase solida alla fase liquida.

Dunque il calore sarà uguale ad un calore, come viene chiamato, latente, indicato con

λ, specifico per la sostanza, per la massa, che dobbiamo portare dalla fase solida alla

fase liquida. Così come era importante la formula Q uguale

mc*ΔT nella calorimetria, anche questa, che riguarda invece la trasformazione di fase,

è di fondamentale importanza, e dunque va riportata nel nostro formulario di termodinamica.

Dunque, qui avevamo riportato la prima espressione. Ora riportiamo che il calore deve essere uguale

al calore latente, nel nostro caso di fusione, poi ce ne sarà un altro per il passaggio

liquido-vapore, per la massa.

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