Introduzione Fisica PDF

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Tradotto dal Spagnolo al Italiano - www.onlinedoctranslator.com INTRODUZIONE.pdf Naxtaj Fisica 1° Laurea in Scienze Agrarie e Bioeconomia Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria Agronomica, Alimentare e dei Biosistemi Università Politecnica di Madrid Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 INTRODUZIONE Concetto di forza. Tipi di forze in Natura. La forza è una grandezza fisica capace di deformare i corpi (effetto statico), ovvero di modificare il loro stato di movimento (velocità) o di quiete, cioè di metterli in movimento se fossero stazionari (effetto dinamico). Una grandezza fisica è una proprietà di un sistema fisico che può essere misurata, cioè alla quale possono essere assegnati valori diversi come risultato di una misurazione o di una relazione di misurazioni. Esempi: massa, temperatura, velocità, volume, forza, pressione, tempo Fondamenti: Derivati: la massa (M) : Kg (chilogrammi) Velocità, LT-1: m/s la lunghezza (L) : m (metri) il Accelerazione LT-2: m/s2 tempo (T) : s (secondi) Forza: ML T-2 Kg m/s2 = N (Newton) Volume: L3 : m3 Pressione: ML-1 T-2 : N/m2 : Pa (Pascal) Energia : ML2 T-2 : N m : J (Joule (o Joule)) Lavoro : ML2 T-2 : N m : J (Joule (o Joule)) Le leggi di Newton Prima legge di Newton. Legge d'inerzia Ogni corpo libero, sul quale non agisce alcuna forza, mantiene il suo stato di moto, sia di riposo che di moto rettilineo uniforme. Il principio di inerzia è soddisfatto quando su un corpo non agiscono forze oppure quando le forze che agiscono si contrastano tra loro. In questi casi è quando diciamo che il corpo è in equilibrio. Secondo questa legge, potremmo dire che l'effetto delle forze non è quello di mantenere il movimento, come pensava Aristotele, ma di modificarlo, cioè di accelerarlo. 2a legge di Newton. Equazione fondamentale della dinamica Ogni corpo su cui agisce una forza assume un'accelerazione, la cui direzione e senso coincidono con quelli della forza e il cui modulo è il quoziente del modulo della forza per la massa del corpo. In forma vettoriale, può essere espresso: Equazione fondamentale della dinamica (m=cte) La forza complessiva che agisce su un corpo è pari alla velocità di variazione della sua quantità di moto. = Equazione Fondamentale della Dinamica = Momento di movimento Definizione di Newton 1 Newton è la forza che deve essere esercitata su una massa di 1 kg affinché acquisisca un'accelerazione di 1 m/s Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 1 N = 10^5 dine Terza legge di Newton. Legge di azione e reazione La forza esercitata da un corpo su un altro è sempre uguale e di verso opposto a quella esercitata dal secondo sul primo. X Forza gravitazionale Legge di gravitazione universale di Newton Due masse puntiformi esercitano l'una sull'altra una forza di attrazione reciproca, la cui grandezza è proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. Forze elettromagnetiche Appare tra particelle elettricamente cariche. Inizialmente si pensava che le cariche elettriche fossero le sorgenti della forza elettrica e che i magneti fossero le sorgenti delle forze magnetiche, essendo interazioni completamente indipendenti. Successivamente,Maxwell unificò entrambe le teorie ILLe equazioni di Maxwell , dimostrando che le cariche in movimento sono le sorgenti delle forze magnetiche, così abbiamo cominciato a parlare di un'unica forza, la forza elettromagnetica. La forza che agisce tra cariche in riposo (forza elettrostatica) risponde alla Legge diCoulomb : forza nucleare forte Se cariche dello stesso segno si respingono, come è possibile che i protoni rimangano in posizioni stabili all'interno del nucleo? Le distanze tra loro sono dell'ordine di 10-15 m, quindi la forza di repulsione elettrostatica è molto grande (dell'ordine di 230 N). La stabilità dei nuclei atomici si spiega grazie ad una nuova interazione (nucleare forte) di natura diversa da quella elettrostatica, che agisce attrattivamente tra protoni e neutroni. Lo studio di questa forza (così come di quella debole) esula dallo scopo di questo corso; La sua portata è solo dell'ordine delle dimensioni del nucleo atomico, quindi non fa parte della nostra esperienza quotidiana. forza nucleare debole Questa forza è molto complessa, basti indicare che è responsabile della disintegrazione dei nuclei radioattivi e anche della produzione di radiazioni ed energia termica nel sole attraverso i processi di fusione nucleare. I download senza pubblicità vengono effettuati con monete 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Forze derivate Le forze derivate risultano dalla sovrapposizione di forze elementari tra la moltitudine di particelle che compongono i corpi macroscopici (qualsiasi oggetto), apparendo come forze effettive, applicate a detti corpi e con proprietà molto semplici. Lavoro ed energia Lavoro Il lavoro compiuto da una forza è il prodotto della forza per lo spostamento compiuto nella sua direzione. Poiché la forza e lo spostamento sono vettori e il lavoro è uno scalare (non ha direzione o significato), definiamo il differenziale di lavoro come prodotto scalare: Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. Il lavoro totale compiuto da una forza che può variare da punto a punto lungo il percorso che compie sarà quindi la linea integrale della forza F lungo il percorso che congiunge la posizione iniziale e finale della particella su cui agisce la forza. Energia cinetica Se eseguiamo un lavoro W su una particella isolata, questa varia la sua velocità lungo la traiettoria in modo da poter mettere in relazione il lavoro W con la variazione dell'energia cinetica della particella attraverso l'espressione: Forze conservatrici Una forza è conservativa se il lavoro totale che compie lungo un percorso chiuso, cioè ritornando nella stessa posizione iniziale da cui è partita, è zero. Questa affermazione equivale al fatto che se il lavoro necessario per trasportare una particella da una posizione a un'altra nello spazio è indipendente dal percorso che congiunge i due punti, la forza che compie questo lavoro è conservativa. Se sul corpo agiscono anche forze dissipative, l’energia meccanica del sistema non si conserva più. In questo caso il lavoro totale svolto dal corpo sarà uguale alla variazione di energia del sistema. Questo è il teorema generalizzato dell’energia-lavoro o delle forze viventi. Conservazione dell'energia Se su un corpo agiscono solo forze conservative, la somma dell'energia potenziale più quella cinetica rimane sempre costante. Questa è la legge di conservazione dell’energia meccanica. Stati della materia. Sistemi e proprietà termodinamiche. La materia si presenta in tre stati o forme di aggregazione: solido, liquido e gassoso. I download senza pubblicità vengono effettuati con monete 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Sistema Un sistema materiale è la porzione di materia che delimitiamo per essere studiata individualmente. Tipi di sistemi Aprire Può scambiare materia ed energia con il suo ambiente. È separato dall'ambiente da una parete permeabile e diatermica Chiuso Non può scambiare materia con l’ambiente, ma può scambiare energia. È separato dall'ambiente circostante da un muro impermeabile e diatermico. Isolato Non può scambiare materia o energia con l’ambiente. È separato dall'ambiente da un muro impermeabile e adiabatico Stato di un sistema Si definisce quando tutte le sue proprietà termodinamiche hanno valori definiti. stato stazionario Un sistema è in uno stato stazionario quando le sue variabili termodinamiche non variano nel tempo. Processo o trasformazione termodinamica. È l'evoluzione di un sistema termodinamico tra due stati. Tipi di processi Isocoro: costante V Isobaro: costante P Isoterma: T costante Adiabatico: Non scambia calore: Q= 0. Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Entropia(S)=costante, se il processo è reversibile Principio zero Se due corpi A e B raggiungono l'Equilibrio Termico con un terzo corpo C, sono in equilibrio termico tra loro. Pressione La pressione è la grandezza scalare che mette in relazione la forza con la superficie su cui agisce, cioè equivale alla forza che agisce sulla superficie. Quando una forza normale F viene applicata uniformemente su una superficie piana di area S, la pressione P è data da: Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. UNITÀ di PRESSIONE nel SI: PASCAL = Pa 1Pa = 1 N/m2̂ 1 atm = 101325 Pa 1 atm = 1,01325 bar 1 atm = 760 mmHg = 760 Torr 1 Torr= 101325 / 760 = 133,32 Pa Esperimento Torricelli Torricelli riempì di mercurio un tubo lungo 1 metro (chiuso ad un'estremità) e lo capovolse sopra un secchio pieno di mercurio. La colonna di mercurio scese immediatamente di diversi centimetri, rimanendo statica a circa 76 cm (760 mm di altezza poiché questa era influenzata). dalla pressione atmosferica. Torricelli concluse che la colonna di mercurio cadde perché la pressione atmosferica esercitata sulla superficie del mercurio riusciva a bilanciare la pressione esercitata dal suo peso. Principio di Pascal In condizioni di equilibrio e in assenza di forze esterne, la pressione è la stessa in tutti i punti del contenitore. Nel campo gravitazionale terrestre, la pressione di un fluido cambia con l'altezza. Questo effetto è importante nei liquidi, ma nei gas si apprezza solo se ci sono grandi dislivelli. Nello studio della termodinamica dove faremo riferimento ad un gas racchiuso in un contenitore, questo effetto è trascurabile. Proprietà dei gas ideali. Equazione di stato. Gas ideale Si tratta di un'approssimazione allo stato gassoso, in cui viene considerato il gas formato da particelle puntiformi che non interagiscono tra loro, cioè si muovono liberamente in tutto il volume disponibile. Sebbene si tratti di un modello semplificato, poiché le molecole di gas hanno un volume finito e ci sono interazioni tra loro, a temperatura ambiente e fino a pressioni di diverse atmosfere molti gas, come aria, elio, CO2, ecc. si comportano come ideali I download senza pubblicità vengono effettuati con monete 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Legge di Gay Lussac o legge di Charlie Hanno studiato la variazione del volume del gas con la temperatura mantenendo la pressione costante. Legge di Boyle Mariotte Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. In una trasformazione isoterma si verifica: Legge di Avogadro In volumi uguali di diversi gas ideali, alla stessa temperatura e pressione, è presente lo stesso numero di molecole. 1 mole di gas ideale contiene 1 atm a 0ºC Proprietà dei gas reali. Equazione di stato Gas reali In un gas ideale le molecole sono considerate masse puntiformi che NON interagiscono tra loro. Van der Waals introdusse correzioni che tenevano conto del volume finito delle molecole e delle forze attrattive che una molecola esercitava su un'altra a distanze molto ravvicinate tra loro. L'equazione di van der Waals tiene conto del volume finito delle molecole e delle forze attrattive che una molecola esercita su un'altra a distanze molto ravvicinate tra loro. Le costanti aeb sono caratteristiche di ciascun gas e si ottengono dai dati di pressione, Pc, volume Vc e temperatura critica Tc. I download senza pubblicità vengono effettuati con monete 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 TERMODINAMICA Primo principio della Termodinamica. Concetti di calore, lavoro ed energia interna. Primo Principio della Termodinamica Lo scambio totale di energia del sistema con l'esterno è pari alla variazione di energia interna del sistema. energia interna Chiamiamo energia interna di un sistema l'energia totale di cui dispone, senza considerare l'energia cinetica del corpo nel suo insieme, né l'energia potenziale che può avere a causa di un campo di forze esterno, (come l'energia potenziale dovuta al campo gravitazionale). Lavoro Il lavoro delle forze esterne è uguale a quello compiuto dal gas ma cambia segno: Se il gas si espande, compie lavoro (positivo) all'esterno, contro le forze esterne, che compiono lavoro negativo; Se il gas viene compresso, le forze esterne compiono lavoro (positivo) sul sistema, mentre il lavoro che il sistema riceve quando viene compresso è negativo. W > 0 (positivo) il sistema funziona all'esterno (Il Gas SI ESPANDE) W < 0 (negativo) il sistema riceve lavoro dall'esterno. Viene svolto lavoro sul sistema (il gas è COMPRESSO) Lavoro meccanico nel sistema termodinamico Quantità di energia trasferita da un sistema all'altro a causa di una forza quando si verifica uno spostamento. Particolarizzeremo l'espressione generale del lavoro per uno specifico sistema termodinamico: Il lavoro è positivo quando il volume del sistema aumenta (espansione) e viene compiuto dal gas sull'ambiente circostante, per cui l'energia dell'ambiente circostante aumenta. Il lavoro è negativo quando il volume del sistema diminuisce (compressione) e l'esterno fa lavoro sul gas. Il sistema riceve quindi energia (sotto forma di lavoro) dall'ambiente. Il lavoro NON è una funzione dello Stato Il lavoro è una funzione del processo o della trasformazione che avviene Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Calore L'energia che viene trasferita dal sistema a temperatura più alta al sistema a temperatura più bassa in virtù di della loro differenza di temperatura. Gas a T1, racchiuso in un cilindro a pareti adiabatiche con pistone. La base è fissa (immobile) e diatermica. Un corpo C (a T2>T1) è posto a contatto con la base. Che succede? -> Il PISTONE SOLLEVA, si muove verso l'alto. Perché? -> Il corpo 'C' cede calore al Gas e lo utilizza per espandersi (funziona) e variare la propria energia interna Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. Il CALORE è un'energia in transito. Il calore NON è una funzione di stato, poiché NON dipende solo dallo stato iniziale e finale. Il calore dipende dal processo termodinamico o trasformazione seguita per passare dallo stato iniziale allo stato finale. Q > 0 (positivo) il sistema RICEVE o assorbe CALORE dall'esterno Q < 0 (negativo) il sistema CEDE CALORE all'esterno 1 caloria è la quantità di calore che è necessario impartire a 1 grammo di acqua per aumentare la sua temperatura da 14,5ºC a 15,5ºC ad una pressione costante di 1 atmosfera. 1 BTU è la quantità di calore che deve essere impartita a 1 libbra di acqua per aumentare la sua temperatura da 59,5ºF a 60,5ºF ad una pressione costante di 1 atmosfera. Capacità termiche. Entalpia. È la quantità di CALORE necessaria per aumentare la temperatura di un gas di 1 grado mantenendo costante la variabile X. Capacità termica a pressione costante (X= P) Cp Capacità termica a volume costante (X= V) Cv Unità: Joule/ºC, J/K Calorie/ºC, Calorie/K Capacità termica molare o CALORE MOLARE È la quantità di CALORE necessaria per aumentare di 1 grado la temperatura di 1 mole di gas, mantenendo costante la variabile X. Capacità termica molare a pressione costante (X= P): cp = Cp/n Capacità termica molare a volume costante (X= V) cv = Cv/n I download senza pubblicità vengono effettuati con monete 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Unità: Joule/ (mol ºC), J/(mol K) Caloria/(mol ºC), Caloria/(mol K) Calore specifico È la quantità di CALORE necessaria per innalzare di 1 grado la temperatura di 1 grammo di gas, mantenendo costante la variabile X. Calore specifico a pressione costante: cp /M = Cp/m Calore specifico a V costante = cv /M = Cv/m Unità: Joule/ (grammo ºC), ) , J/(grammo K) Caloria/(grammo ºC), Caloria/(grammo K) legge di Mayer Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. VALORI Cv e Cp per GAS IDEALI I download senza pubblicità vengono effettuati con monete 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Secondo principio della Termodinamica. Concetto di entropia. Processi spontanei Si verificano quando un sistema è FUORI dall'equilibrio per raggiungere l'equilibrio I processi spontanei in un sistema isolato NON producono un cambiamento nell'energia interna, la ridistribuiscono solo Motore termodinamico È un qualsiasi sistema che evolve ciclicamente producendo lavoro dal calore assorbito. Prestazioni del motore termodinamico: Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale.  64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Ciclo di Carnot I download senza pubblicità vengono effettuati con monete Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. 64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6979374 Cambiamenti di fase. Calori latenti. Pressione di vapore. Equazione di Clapeyron. Cambiamenti di fase. Sono i processi in cui la materia passa da uno stato di aggregazione a un altro mantenendo la sua composizione. I diversi cambiamenti di stato di aggregazione o trasformazioni di fase della materia: - fusione - solidificazione - vaporizzazione e bollitura - condensa - sublimazione Cambiamenti progressivi: vaporizzazione, fusione e sublimazione progressiva. Tutti i diritti riservati. Non è consentito lo sfruttamento economico o la trasformazione di quest'opera. È consentita la stampa integrale. Cambiamenti regressivi: condensazione, solidificazione e sublimazione regressiva CALORI LATENTI del CAMBIO DI FASE Il calore latente è l'energia necessaria ad una quantità di sostanza per cambiare fase, da solida a liquida (calore di fusione) o da liquida a gassosa (calore di vaporizzazione). PRESSIONE DI VAPORE La tensione di vapore è la pressione della fase gassosa o vapore di un solido o di un liquido sulla fase liquida, per una data temperatura, alla quale la fase liquida e il vapore sono in equilibrio dinamico; Il suo valore è indipendente dalle quantità di liquido e vapore presenti purché esistano entrambi. EQUAZIONE DI CLAPEYRON L'equazione di Clapeyron ci permette di calcolare la pendenza della linea di equilibrio Liquido-Vapore, dP/dT, a qualsiasi valore di P,T I download senza pubblicità vengono effettuati con monete