Stati della materia, calore e temperatura nella fisica contemporanea

Concetti e Didattica Correlata

Stati della materia, calore, temperatura concetti e didattica correlata G. Salamanna, Dipartimento MatFis giuseppe.salamanna@uniroma3.it stanza 39, PT, via della vasca navale, 84

Chi se ne occupa nella fisica contemporanea

• La termodinamica, che studia lo scambio di calore (energia) ed il conseguente cambiamento di temperatura macroscopicamente in relazione a grandezze quali volume, pressione, densita'. Classica
• Ancora una volta una branca della fisica che nasce da problemi pratici/tecnici (macchine, vapore, rivoluzione industriale di meta'/fine '700)
• La meccanica statistica e la struttura della materia che studiano a livello microscopico come i "mattoncini di materia" (molecole, atomi) formino e cambino gli stati della materia sotto l'influsso di forze di legame (e.g. elettrostatiche) e urti (repulsione), in relazione a grandezze come energia cinetica, momenti angolari, carica elettrica. Quantistica
• Ha il suo impulso dalle scoperte di fine '800 sui costituenti atomici della materia, si rafforza con la formulazione della meccanica quantistica di inizio '900. Sistematizza e spiega le evidenze macroscopiche come un insieme complesso di palline micro

La termodinamica è "vintage"?

• NO! La termodinamica non e' andata in pensione con l'avvento della meccanica quantistica e la meccanica statistica
• Hanno diverse sfere di applicazione che dipendono dall'obiettivo di uno studio e dalle dimensioni del sistema in oggetto.
• Per l'industria, l'ingegneria, l'aviazione e tanti altri campi applicativi si usa la termodinamica: temperatura, calore scambiato, effetti sulla pressione, cambiamenti di stato di un intero sistema, ecc

- termodinamica N6290Y

Meccanica quantistica vs. meccanica classica

ATTENZIONE: Newton non è andato in pensione !!

1. La Meccanica Quantistica è necessaria per particelle elementari di massa piccolissima come gli elettroni; i nuclei sono abbastanza pesanti da poter essere ben descritti dalla meccanica classica di Newton
2. Per tutti gli oggetti macroscopici continua a valere la meccanica classica: per gli ingegneri che costruiscono case, strade e ponti la meccanica classica è assolutamente perfetta.
3. I fisici e i chimici che studiano le proprietà dei materiali a livello microscopico utilizzano entrambe le teorie: la meccanica quantistica per descrivere gli elettroni, la meccanica classica per descrivere il moto dei nuclei

" I fisici nucleari che studiano le particelle elementari generate negli acceleratori di particelle attraverso gli urti, o provenienti dai raggi cosmici, utilizzano la meccanica quantistica https://people.unica.it/alessiofilippetti/files/2019/11/Materia-e-stati-di-aggregazione.pdf

Uso della termodinamica per investigare l'evoluzione delle temperature

Noi useremo la termodinamica per investigare l'evoluzione delle temperature e i passaggi di stato, ma prima di tutto prenderemo una lente di ingrandimento per capire che cos'e' uno stato!

Materia in fisica classica

• E' tutto cio' che possiede un volume ed una massa ed occupa quindi una porzione di spazio fisico, in qualsiasi forma si presenti:

· terra, acqua, gas in una bombola, una penna, un libro, il nostro corpo, il tronco di un albero, una formica, un batterio, le stelle, i pianeti, ecc · liquido, solido, gassoso, elastico, comprimibile, incomprimibile

• Nel I semestre in meccanica abbiamo trattato i corpi come un tutt'uno, ma hanno una struttura interna e possono essere scissi, legati, piegati, ritorti o riallineati con piu' o meno forza applicata
• Crucialmente: si puo' variare la loro temperatura cedendo loro o da loro prelevando del calore (che e' una forma di energia)
• Questo porta della materia solida a diventare liquida o gassosa e V.V.

Stati della materia: solido, liquido e gassoso

https://www.chimica-online.it/download/stati-aggregazione-materia.htm Gli stati della materia: solido, liquido e gassoso

Stato solido

FORMA Forma costante, rigida e fissa VOLUME costante PARTICELLE sono fortenente legate fra loro indeformabili (ma non indistruttibili!)

Stato liquido

FORMA variabile: la stessa del contenitore VOLUME costante PARTICELLE si muovono, ma interagiscono tra di loro incomprimibili (acqua in una siringa e pistone che non avanza)

Stato gassoso

FORMA variabile: la stessa del contenitore VOLUME variabile: la stessa del contenitore PARTICELLE ogni particella si muove indipendentemente dalle altre parzialmente comprimibili, volatili (odori ... )

Stati della materia che esperiamo

• "ibridi" un po' particolare, attenzione: elastici, spugne, molle; plastilina, pongo, plastiche altamente deformabili
• e un pugno di talco o di sabbia che cosa sono?

Forze interatomiche: solido e liquido

SOLIDO

Le forze interatomiche all'interno di In un liquido le forze interatomiche un solido possono essere schematiz- sono più deboli e consentono agli zate come molle elastiche, gli atomi atomi di scivolare l'uno sull'altro; la possono oscillare intorno alle posizioni sostanza non ha più la sua forma di equilibrio della struttura ma acquista quella del suo contenitore

LIQUIDO

sono più deboli e consentono agli atomi di scivolare l'uno sull'altro; la sostanza non ha più la sua forma ma acquista quella del suo contenitore

Esempi di minerali

F Ca Fluorite CaF2 Diamante C O C Si Quarzo SiO2 ·Granato ·Diamante ·Calcite · Gesso

Giochiamo con un click con gli stati della materia

https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter- basics/latest/states-of-matter-basics it.html

I passaggi di stato

A temperatura ambiente e pressione atmosferica ogni sostanza assume uno specifico stato di aggregazione (solido, liquido, aeriforme) che dipende dell'intensità delle forze coesive tra le particelle componenti In generale, al variare di temperatura e pressione ogni sostanza può assumere ciascuno di questi 3 stati di aggregazione: aumentare la temperatura significa aumentare l'agitazione termica V aumentare la pressione favorisce la coesione molecolare Ad esempio l'acqua a pressione atmosferica assume: V lo stato solido (ghiaccio) per temperature inferiori a 0 ℃ lo stato liquido per temperature tra 0 e 100 ℃ lo stato gassoso (vapore acqueo) per temperature oltre i 100 ℃ sublimazione fusione evaporazione + calore + calore ghiaccio · calore acqua - calore vapore solidificazione condensazione brinazione https://people.unica.it/alessiofilippetti/files/2019/11/Materia-e-stati-di-aggregazione.pdf

Misurazione della temperatura e calore specifico

Se si misura la temperatura si osserva che .. T4 1 Q C= m.AT Q C= m.AT Tự liquido+ vapore vapore Tf solido+ liquido liquido Joli da + Q Qf=M.m Qv=Av.m Q C: m.AT · m è la massa della sostanza; · c il calore specifico; · AT la variazione di temperatura;

Competizione tra agitazione termica e forze di coesione

" Ogni sostanza è frutto dell'aggregazione di un enorme numero di atomi o molecole (le molecole sono aggregati di pochi atomi) Atomi e molecole si attraggono tra loro mediante forze elettriche, dette anche forze di coesione; in assenza di forze elettriche non esisterebbero gli atomi, le molecole, né alcuna sostanza da essi composta Atomi e molecole sono sempre in continuo movimento causato dall'agitazione termica; il grado di agitazione termica è dato dalla temperatura: più un corpo è caldo, più le molecole e gli atomi di cui la sostanza è costituita vibrano e urtano tra loro @ Lo stato di una sostanza dipende da quale di queste due grandezze prevale: è una competizione tra agitazione termica e forze coesive se prevalgono le forze di coesione la sostanza assume stato solido se prevale l'agitazione termica la materia assume stato gassoso lo stato liquido è quello intermedio tra i due https://people.unica.it/alessiofilippetti/files/2019/1 1/Materia-e-stati-di-aggregazione.pdf

Competizione tra agitazione termica e forze coesive

AGITAZIONE TERMICA

FORZA COESIVA L

STATO SOLIDO

prevalgono le forze di coesione, gli atomi si dispongono in reticoli ordinati, vibrando come palline connesse da molle

STATO LIQUIDO

l'agitazione termica è abbastanza forte da disordinare le particelle ma non sufficiente per separarle del tutto

STATO GASSOSO

prevale l'agitazione termica, gli atomi (o molecole) si distaccano tra loro e diffondono in utto lo spazio disponibile https://people.unica.it/alessiofilippetti/files/2019/11/Materia-e-stati-di-aggregazione.pdf

Temperatura e energia cinetica

AL VOLO

TEMPERATURA CHE RADDOPPIA La temperatura di un gas passa da 250 K (-23 °C] a 500 K (227 ºC]. Come varia l'energia cinetica media delle sue molecole? Di quale fattore aumenta l'energia cinetica media delle molecole se, invece, la temperatura passa da 40 °C a 80 °C?

L'interpretazione microscopica della temperatura

La rapidità del moto delle molecole aumenta al crescere della temperatura. È questa la ragione per la quale si passa dallo stato solido a quello liquido e poi a quello aeriforme: · a basse temperature il moto di agitazione è poco intenso, per cui le forze attrattive inter- molecolari riescono a tenere unito il solido; " a una certa temperatura (temperatura di fusione) il movimento delle molecole diventa così rapido che il solido si disgrega: si ha la fusione e il passaggio allo stato liquido; · fornendo ulteriore energia, le molecole diventano così veloci da sfuggire alla massa del liquido passando allo stato gassoso. Esiste un legame preciso tra la temperatura e la velocità: l'energia cinetica media Kmedia di una molecola, dovuta al moto di traslazione, è direttamente proporzionale alla tem- peratura assoluta attraverso la relazione Kmedia = 2kBT [1] dove kg è detta costante di Boltzmann e vale kB = 1,381 × 10-23. J K [2]

ESEMPIO

Una bombola contiene gas elio alla temperatura di 33 °℃ (306 K). · Quanto vale l'energia cinetica media delle molecole di elio contenute nella bom- bola?

SOLUZIONE

· L'energia cinetica media delle molecole di elio si ottiene dalla formula [1]: Kmedla = 2 kgT = 2 x (1,381 × 10-23. J x (306 K) = 6,34× 10-21 J. K Nella formula di Kmedia, il primo membro deve essere maggiore o uguale a zero, perché l'energia cinetica non può essere negativa. Allora, anche il secondo membro non può essere negativo: la temperatura assoluta T = 0 K è detta zero assoluto perché si tratta della minima temperatura teoricamente concepibile, visto che la temperatura T non può essere negativa. Amaldi, cap. 14

Energia termica e passaggi di stato

Adesso possiamo capire meglio perche' T4 1 0 C =- Q C= m-ÅT Tu Tf liquido+ vapore vapore solido+ liquido liquido 0 Qv=Av.m Q C= m.AT https://www.chimica-online.it/fisica/energia-termica-e-passaggi-di-stato.htm Tutta l'energia che si fornisce al sistema dunque non servirà più ad aumentare l'energia cinetica media vibrazionale delle molecole e quindi la temperatura, bensì servirà a spezzare i legami intermolecolari finché tutto il solido non sarà diventato liquido. Anche se ad un certo punto dovessimo trovarci con una parte solido e una parte liquido entrambi sarebbero alla temperatura di 0°C.

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