Concetti Fondamentali di Fisica: Termodinamica, Meccanica ed Energia

Introduzione alla Fisica: Concetti e Formule Essenziali

Grandezze Fondamentali e Loro Relazioni

Lavoro, Potenza ed Energia

Il Lavoro (W) è una grandezza scalare definita come il prodotto della forza (F) per lo spostamento (s) e il coseno dell'angolo (θ) tra la direzione della forza e quella dello spostamento:

• W = F · s · cos(θ)
• Il lavoro può anche essere espresso come il prodotto della potenza (P) per il tempo (t): W = P · t

La Potenza (P) è una grandezza scalare che misura l'efficienza con cui viene svolto il lavoro. È definita come il rapporto tra il lavoro compiuto e il tempo impiegato per compierlo:

• P = W / t

L'Energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro. Per questo motivo, l'energia e il lavoro utilizzano le stesse unità di misura.

L'Energia Meccanica (E_m) è un tipo di energia che può essere classificata in due forme principali:

• L'Energia Cinetica (E_c) è l'energia che un corpo possiede in virtù del suo movimento (velocità):
  • E_c = 1/2 m · v²
• L'Energia Potenziale (E_p) è la capacità di un corpo di compiere lavoro in virtù della sua posizione o configurazione, quando è soggetto a qualche tipo di forza (ad esempio, gravità, elettricità, elasticità, ecc.):
  • E_p = m · g · h (per l'energia potenziale gravitazionale)

  Se sotto l'azione di queste forze il corpo si muove da una posizione iniziale a un'altra, la diminuzione dell'energia potenziale è uguale al lavoro compiuto da tali forze.

La somma dell'energia cinetica e potenziale di un corpo è chiamata Energia Meccanica (E_m):

• E_m = E_c + E_p

Il Teorema dell'Energia Cinetica (o Teorema delle Forze Vive) afferma che il lavoro complessivo (L) svolto dalle forze che agiscono su un corpo è uguale alla variazione dell'energia cinetica del corpo:

• L = ΔE_c = E_c,f - E_c,i = (1/2 m · v²) - (1/2 m · v₀²)

In assenza di forze dissipative (come l'attrito), l'energia meccanica di una particella rimane costante. Questo è il Principio di Conservazione dell'Energia Meccanica.

Unità di Misura

• Il Joule (J) è l'unità di misura del lavoro e dell'energia nel Sistema Internazionale (SI). È definito come il lavoro svolto quando l'applicazione di una forza di 1 Newton (N) produce uno spostamento di 1 metro (m) nella direzione della forza.
• Il Watt (W) è l'unità di misura della potenza nel SI. È definito come il lavoro di 1 Joule (J) svolto in 1 secondo (s).
  • 1 Watt (W) = 1 Joule (J) / 1 secondo (s)
  • 1 Cavallo Vapore (CV) ≈ 735.5 W
  • 1 kilowattora (kWh) = 3.6 × 10⁶ J

Calore e Termodinamica

La Temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle particelle di un corpo. La sua unità nel Sistema Internazionale (SI) è il Kelvin (K), ma è comunemente utilizzato anche il grado Celsius (°C).

Il Calore (Q) è l'energia che viene trasferita da un corpo all'altro quando sono a temperatura diversa. Nel SI si misura in Joule (J), ma è anche comune l'uso della caloria (cal).

• 1 cal = 4,18 J
• 1 J ≈ 0,24 cal

Il Calore Specifico (c_e) è l'energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 kg di una sostanza di 1 Kelvin (K) o 1 grado Celsius (°C).

Il calore guadagnato o ceduto da un corpo dipende dalla sua massa (m), dal calore specifico (c_e) e dalla variazione di temperatura (ΔT) che subisce:

• Q = m · c_e · (T_f - T_i)

Il Calorimetro è un contenitore termicamente isolato utilizzato per misurare gli scambi di calore.

Se due corpi a temperature diverse vengono posti in un calorimetro, si verifica un trasferimento di energia tra di essi fino a quando non raggiungono la stessa temperatura. Si dice che sono in Equilibrio Termico. In un sistema isolato, la somma algebrica dei calori scambiati è zero:

• Q_ceduto + Q_guadagnato = 0
• Un esempio di scambio di calore in un calorimetro è: m_c · c_c · (T_c - T_e) = m_f · c_f · (T_e - T_f)

Il Calore Latente (L) è l'energia necessaria per cambiare lo stato di una massa (m) di sostanza a temperatura costante:

• Q = L · m

Dilatazione Termica

La Dilatazione Termica è l'aumento delle dimensioni (lunghezza, superficie, volume) di un corpo dovuto all'aumento della sua temperatura.

• I coefficienti di dilatazione sono correlati: β ≈ 2α e γ ≈ 3α.
• Dilatazione Lineare: L'aumento di lunghezza (ΔL) di un corpo quando la sua temperatura aumenta.
  • ΔL = α · L₀ · ΔT
  • α = coefficiente di dilatazione termica lineare
  • L₀ = lunghezza originale
  • ΔT = aumento di temperatura
• Dilatazione Superficiale: L'aumento di superficie (ΔS) di un corpo quando la sua temperatura aumenta.
  • ΔS = β · S₀ · ΔT
  • β = coefficiente di dilatazione superficiale
  • S₀ = superficie iniziale
  • ΔT = aumento di temperatura
• Dilatazione Cubica: L'aumento di volume (ΔV) di un corpo quando la sua temperatura aumenta.
  • ΔV = γ · V₀ · ΔT
  • γ = coefficiente di dilatazione cubica
  • V₀ = volume iniziale
  • ΔT = aumento di temperatura

Teorie Fondamentali della Materia

Teoria Cinetica dei Gas

La teoria cinetica dei gas descrive il comportamento dei gas ideali basandosi sui seguenti postulati:

• I gas sono costituiti da particelle molto piccole (molecole o atomi) in continuo movimento disordinato. Il volume effettivo occupato dalle particelle è trascurabile rispetto al volume del contenitore che le contiene.
• Le particelle si scontrano continuamente tra di loro e contro le pareti del contenitore senza perdita di energia cinetica (urti elastici). La pressione esercitata dal gas è proporzionale al numero di collisioni con le pareti.
• Le particelle sono molto separate le une dalle altre, e le forze di interazione tra di esse sono trascurabili, tranne al momento dell'urto.
• Non tutte le particelle del gas hanno la stessa velocità. L'energia cinetica media di traslazione delle particelle è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta del gas (maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità media).

Teoria Cinetico-Molecolare della Materia

Questa teoria estende i principi cinetici per descrivere i diversi stati della materia:

• Solidi: Le particelle nei solidi hanno poca libertà di movimento. Sebbene non siano fisse, vibrano attorno alle loro posizioni di equilibrio. Se un solido viene riscaldato, la velocità di agitazione delle particelle aumenta fino a quando non è sufficiente a farle lasciare le loro posizioni di equilibrio. Questo processo si chiama fusione e avviene a una temperatura caratteristica per ogni sostanza, chiamata temperatura di fusione.
• Liquidi: Le particelle nei liquidi hanno maggiore libertà di movimento rispetto ai solidi, poiché le forze di coesione tra di esse sono meno intense.
• Evaporazione: Si verifica quando le particelle del liquido con sufficiente velocità sono in grado di superare le forze di coesione, sfuggire e passare alla fase gassosa. Le particelle che rimangono hanno una velocità media inferiore, e il liquido tende a raffreddarsi. Se il liquido prende energia dall'esterno, il fenomeno può verificarsi a qualsiasi temperatura, ma solo sulla superficie del liquido.
• Ebollizione: Avviene in tutto il volume del liquido e a una temperatura caratteristica (punto di ebollizione), quando le forze di attrazione tra le particelle interne sono praticamente superate.

Cambiamenti di Stato

I principali cambiamenti di stato della materia sono:

• Solido → Gas: Sublimazione
• Solido → Liquido: Fusione
• Liquido → Gas: Vaporizzazione (che può avvenire per ebollizione o evaporazione)
• Gas → Liquido: Liquefazione (o Condensazione)
• Liquido → Solido: Solidificazione
• Gas → Solido: Brinamento (o Sublimazione inversa)