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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.1

Fenomeni Termici

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Riassunto Lezione Precedente

• Principi di Inerzia• Concetto di Forza• Concetto di massa inerziale• Forza Gravitazionale• Lavoro• Energia: Energia cinetica e potenziale• Conservazione dell’energia meccanica

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I FENOMENI TERMICI

TemperaturaCalorePropagazione del caloreTermoregolazione del corpo

umanoMetabolismo

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Temperatura e Gas (I)

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Temperatura e Gas (II)

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Temperatura e Gas (III)

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Temperatura e Gas (IV)

Queste grandezze sono sufficienti per descrivere corpi isolati; esse devono però essere completate da altre quando i corpi vengono a contatto tra loro o

quando, per esempio, vengono colpiti da radiazioni

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Temperatura

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Temperatura (II)

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Espansione Termica

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Misura della Temperatura

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Scale termometriche

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Acqua

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Calore

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Calore (II)

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Calore Specifico

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Calore: Unità di misura

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Equivalente meccanico della caloria

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Caloria: Riassunto

Unità di misura pratica : caloria (cal)

1 caloria = quantita’ di calore necessaria

per aumentare di 1oC la temperatura di 1 g di acqua

Se Q si esprime in cal:

L = J Q

equivalente termico del

lavoroequivalente meccanico

della caloriaJ = LQ

= 4.18 joule/cal

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Calore

Differenza di Temperatura

finale ed iniziale

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Calore specifico

Q = c m (t2 – t1) = c m t

calore specifico

Il calore specifico dipende dal tipo di sostanza:per l’acqua e’ c = 1 cal/(goC)

capacità termica

c = Qm (t2 – t1)

[cal /(goC)]

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Equilibrio Termico

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Propagazione del calore

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Propagazione del calore

caratteristico dei fuidi

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Irraggiamento termico

Ogni corpo emette radiazione termica ( onde elettromagnetiche)dipendente dalla sua temperatura assoluta T

intensità = quantità di radiazione tempo • superficie

I = Q/(t•S)

W/m2

Leggi dell’emissione termica:

I T4 (temperatura assoluta)lunghezza d’onda massima l 1/T

Radiazione emessa dal corpo umano con febbre a 40o (rispetto a 37o):I40/I37 = T4

40(T437) = [(273+40)/(273+37)]4 = (313/310)4 = 1.0393

(3.93 % in più)

Es.

Anche un corpo“freddo” emette

radiazione termica!

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Termoregolazione

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Termoregolazione (II)

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Termoregolazione del corpo umano

Modalita’ di trasmissione del calore nel corpo umano:

CONDUZIONE interno: contatto tra organi esterno: contatto tra cute earia o vestiti

CONVEZIONE interno: diffusione omogenea delcalore tramite liquidi biologici(sangue e linfa)

IRRAGGIAMENTOesterno: emissione termica

EVAPORAZIONE esterno: sudorazione e evaporazione

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Temperatura e umidita’

Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalladifferenza tra la temperatura corporea e quella ambiente.

L’evaporazione dipende dal tasso di umidita’ relativa:rapporto tra le pressioni di vapor acqueo di vapor saturo.

Quando la temperatura ambiente si avvicina ai 37oC, i normali meccanismi di trasmissione del calore non contribuiscono più; rimane solo l’evaporazione,ma solo se l’ambiente non e’ troppo umido.

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Metabolismo del corpo umano

Corpo umano “macchina” a energia interna (chimica)

t 37oC t 0 U 0

Aumento di energia (Q>0): reazioni chimiche esotermiche(ossidazione carboidrati, grassi, proteine)

Diminuzione di energia (Q<0):emissione di calore nell’ambientelavoro esterno (attivita’ vitali)lavoro interno (attivita’ vitali)

I due effettisi devonobilanciare

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Metabolismo del Corpo Umano

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Metabolismo del Corpo Umano (II)

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Metabolismo del Corpo Umano (III)

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Lezione V: Fenomeni TermiciCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.34

Metabolismo del Corpo Umano (IV)

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.35

Termodinamica

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.36

Termodinamica

Termodinamica: ConcettiGas PerfettoPrima Legge Termodinamica

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Termodinamica

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.38

Trasformazioni termodinamiche

E’ impossibile “seguire” il moto di agitazione termica di un gran numero di particelle (~NA=6.022•1023)

descrizione fenomenologica descrizione statisticaSISTEMA TERMODINAMICO:insieme di particelle con uguali proprietà termodinamiche isolato: non scambia materia né energia con l’esterno chiuso: non scambia materia ma scambia energia con l’esternoTRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE:variazione dei parametri termodinamici di un sistema pressione pressione costante isobara volume volume costante isocora temperatura temperatura costante isoterma

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Gas Perfetto

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.40

Gas perfetti

Un gas e’ perfetto/ideale se: ha molecole puntiformi

e’ trascurabile il volume proprio delle molecole le molecole subiscono urti elastici

dopo l’urto le particelle rimangono sempre le stesse

Di fatto e’ la stessa situazione dei liquidi perfetti (v. Teorema di Bernoulli): si trascurano gli attriti.In questo modo il gas perfetto risulta essere

il sistema termodinamico piu’ semplice,caratterizzato solo dai 3 parametri termodinamici

pressione, volume, temperatura.

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Macro e Micro

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.42

Condizioni iniziali dei gas perfetti

Legge di Avogadro:

in qualunque gas perfetto

a NTP = condizioni normali di temperatura e

pressione (p = 1 atm, t = 0°C)

una mole di gas (n=1 N = N0 = 6.022•1023

molecole)

occupa sempre un volume V0 = 22.414 litri.

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Equazione di Stato

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.44

Costante dei gas perfetti

Per n = 1 mole:

pV =T T0

p0V0 pV = TT0

p0V0

R = costante dei gas perfettipoVo

To

R = = 1 atm•22.4 l

273°K•mole=

°K•mole

0.082 l•atm=

=105 Pa • 22.4•10–3 m3

273°K•mole=

8.325 J

°K•mole

pV = nRT

Finalmente equazione di stato:

n. moli,non molecole!

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.45

Legge dei Gas Perfetti

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.46

Leggi dei gas perfetti

1) legge di Boyle: a t cost., pV = costante

Per i gas perfetti si verificano 3 (+1) leggi sperimentali:

2) 1a legge di Gay-Lussac:a p cost., Vt = V0(1+t)

3) 2a legge di Gay-Lussac:a V cost., pt = p0(1+t)

con = = 1273°

4) legge di Avogadro:

per due gas diversi, a p1=p2, V1=V2, t1=t2, risulta N1=N2

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.47

Zero Assoluto

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.48

Macro e Micro

VELOCITA’

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.49

Energia Interna

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.50

Primo Principio della Termodinamica

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.51

Primo Principio della Termodinamica

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.52

1o principio della Termodinamica

Conservazione dell’energia nei fenomeni termici:il calore fornito/sottratto finisce

in parte in variazione di energia interna (temperatura)in parte in lavoro compiuto dal/sul sistema

JQ = U + L

Quantità di calorein joule

(J=4.18 joule/cal)

Q>0 calore fornitoQ<0 calore sottratto

Variazione dienergia internaU>0 aumento

U<0 diminuzionedi temperatura

Lavoro compiutoL>0 dal sistema

(espansione)L<0 sul sistema

(compressione)

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.53

Gas reali

Un gas reale puo’ condensare e solidificare.

Parametro importante: Tc = temperatura criticaPer T > Tc il gas non può in alcun modo passare alla fase liquida,

a causa dell’agitazione termica.

Un gas e’ reale se non e’ perfetto: ha molecole non puntiformi non e’ trascurabile il volume proprio delle molecole le molecole subiscono anche urti non elastici dopo l’urto le particelle possono non rimanere sempre

le stesse

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Lezione V: TermodinamicaCorso Integrato Fisica Medica – Igiene Dentale pag.54

Ma i gas reali sono perfetti?

N2 – 147.1 O2 – 118.8 CO2 +31.3 H2O +374.1

Tc (oC)

azotoossigenoanidride carbonicaacqua

a 37 oC:

perfetto perfetto ??? reale

Un gas reale si puo’ approssimare con un gas perfetto quando : a) e’ a temperatura >> Tc

b) e’ lontano dalle condizioni di condensazione (basse pressioni e grandi volumi)

Gas fisiologici e di impiego medico: