Energia Interna e Scambio di Energia

Energia Interna

• L'energia interna di un corpo è la somma della sua energia cinetica ed energia potenziale.
• L'energia cinetica è l'energia posseduta da un corpo in movimento.
• L'energia potenziale è l'energia posseduta da un corpo a causa della sua posizione in un campo di forza.
• La formula per l'energia potenziale gravitazionale è: Ep = mgh, dove m è la massa, g è l'accelerazione di gravità e h è l'altezza rispetto al livello di riferimento.

Scambio di energia

• Lo scambio di energia tra un sistema e l'ambiente avviene attraverso il calore e il lavoro.
• Il calore è l'energia trasferita tra un sistema e l'ambiente a causa di una differenza di temperatura.
• Il calore si muove da un corpo più caldo a uno più freddo fino a quando le energie cinetiche medie delle molecole dei due corpi non diventano uguali.
• La legge di conservazione dell'energia afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma a un'altra.
• Il lavoro è l'energia coinvolta quando un oggetto viene spostato in una direzione sotto l'azione di una forza che si oppone allo spostamento.
• Il lavoro positivo è compiuto sul sistema, mentre il lavoro negativo è compiuto dal sistema.

Equivalenza meccanica del calore

• Il calore è equivalente a una forma di energia, come dimostrato da James Prescott Joule attraverso l'esperimento con il mulinello.
• Una caloria (cal) è la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua da 14,5 a 15,5 °C.
• Un joule (J) è il lavoro svolto esercitando una forza di un newton per una distanza di un metro.
• 1 cal = 4,187 J.

Il Primo Principio della Termodinamica

• Il primo principio della termodinamica afferma che l'energia interna di un sistema chiuso è uguale alla somma del calore scambiato con l'ambiente e del lavoro effettuato sul sistema.
• La formula è: ΔU = Q – L, dove ΔU è la variazione di energia interna, Q è il calore scambiato e L è il lavoro svolto.
• Q > 0 significa che l'ambiente cede calore al sistema.
• Q < 0 significa che il sistema cede calore all'ambiente.
• L > 0 significa che il sistema compie lavoro sull'ambiente.
• L < 0 significa che l'ambiente compie lavoro sul sistema.

Applicazione del Primo Principio ai Sistemi Aperti

• I sistemi aperti scambiano sia materia che energia con l'ambiente.
• L'equazione per un sistema aperto è: ΔU = ±Q ±L ±Σ(μi * Δni), dove μi è l'energia interna contenuta in una mole di materia acquisita o eliminata dal sistema, Δni è la variazione del numero di moli di quella specie chimica.

Entalpia di Reazione

• L'entalpia di reazione (ΔH) è la variazione di entalpia che accompagna una reazione chimica.
• ΔH = Hprodotti – Hreagenti
• Se ΔH < 0, la reazione è esotermica e libera calore.
• Se ΔH > 0, la reazione è endotermica e assorbe calore.

Determinazione dei Calori di Reazione

• I calori di reazione possono essere determinati sperimentalmente usando un calorimetro.
• La legge di Hess è un metodo indiretto per determinare i calori di reazione.

Energia Termica

• L'energia termica è l'energia associata al movimento delle molecole di una sostanza.
• La formula per l'energia termica è: q = m * c * ΔT, dove m è la massa, c è la capacità termica specifica e ΔT è la variazione di temperatura.

Il Primo Principio della Termodinamica nei Viventi

• I viventi sono sistemi termodinamici aperti che scambiano sia materia che energia.
• L'energia viene scambiata con l'ambiente attraverso il calore (Q) e il lavoro (L).
• Il calore può essere perso attraverso irraggiamento, convezione ed evaporazione.
• Il lavoro può essere svolto attraverso movimenti muscolari, respirazione, digestione, ecc.

Fabbisogno Calorico

• Il fabbisogno calorico giornaliero medio per un uomo è circa 2500 Kcal/giorno.
• Questo fabbisogno calorico viene coperto bruciando carboidrati, grassi e proteine.

Chilocaloria (Kcal)

• La chilocaloria (Kcal o Cal) è un'unità di energia comunemente usata in biologia.
• 1 Kcal = 1000 cal.

Conclusioni

• I sistemi termodinamici, inclusi i viventi, sono governati dalle leggi della termodinamica, in particolare dal primo principio che descrive la conservazione dell'energia.
• Il primo principio della termodinamica afferma che l'energia interna di un sistema può essere cambiata solo attraverso lo scambio di calore e lavoro.
• I viventi sono sistemi termodinamici aperti che scambiano energia e materia con l'ambiente.
• Il fabbisogno calorico dei viventi dipende dal livello di attività, dall'età, dal sesso e da altri fattori.

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