Fondamenti di Fisica: Albedo, Leggi dei Gas e Principi di Termodinamica

Albedo e Bilancio del Flusso di Radiazione

L'albedo è la capacità di diversi tipi di superficie di riflettere l'energia solare verso l'atmosfera. Nell'equilibrio del flusso di radiazione di energia alla superficie, convergono i seguenti flussi:

• K: flusso di radiazione solare (S + D + K).
• L: flusso di radiazione terrestre (L↑, L↓).
• D: flusso di calore sensibile in atmosfera.
• H: flusso di calore sensibile nel terreno.
• C: flusso di calore latente.

Flusso Radiativo dalla Superficie del Bilancio Climate System

Se TS = 288 °K (15 °C):

• IN = σ T⁴ = 0,817 x 10⁻¹⁰ Ly⁻¹ min K⁻⁴ (288 °K)⁴
• IT = 0,562 min⁻¹ Ly = 290 Kcal cm⁻² yr⁻¹

Dal momento che S = 1.94 Ly⁻¹ min, l'energia totale che interseca la superficie è definita da π S R².

L'energia totale per unità di superficie incidente (Q₀), che corrisponde al 100%, è la seguente:

Q₀ = π S R² / 4 π R² = S / 4
Q₀ = 0,485 min⁻¹ Ly = 250 Kcal cm⁻² yr⁻¹

Leggi dei Gas Ideali

Definizione di Gas Ideale

Un gas ideale è un gas composto da particelle (molecole) in moto casuale animato. Le caratteristiche principali sono:

• Il numero totale delle molecole è elevato.
• Il volume delle molecole è trascurabile in relazione al volume del gas.
• Non vi sono forze che agiscono sulle molecole.
• Le collisioni sono elastiche e la loro durata è trascurabile.

Legge di Boyle

Data una massa di gas, il volume che occupa è inversamente proporzionale alla pressione quando la temperatura viene mantenuta costante:

P ∝ 1 / V

Considerando due stati, uno iniziale ed uno finale, si osserva sperimentalmente che se nello stato iniziale la pressione è p₁ e il volume è V₁ alla temperatura T, nello stato finale con p₂ = 2p₁ alla stessa temperatura T, il volume V₂ sarà:

V₂ = ½ V₁

Cioè: p₁ V₁ = p₂ V₂ = k, dove k è una costante per ogni data massa di gas a una data temperatura.

Legge di Gay-Lussac

Se la pressione (p) è costante, per effetto del calore, un gas è sottoposto a un'espansione. La variazione di volume segue la legge:

V = V₀ (1 + αₚ t)

Dove αₚ è il coefficiente di dilatazione dei gas a pressione costante. Per una temperatura iniziale di 0 °C, il valore di αₚ per qualsiasi gas è 1 / 273,15 °C. Sostituendo questo valore, abbiamo:

V / V₀ = 1 + t / 273,15 = (273,15 + t) / 273,15 = T / T₀

Vale a dire: V / V₀ = T / T₀, dove T (K) = 273,15 + t (°C) e T₀ = 273,15 K (0 °C).

Leggi della Termodinamica e del Calore

Legge di Dalton

In una miscela di gas, la pressione totale esercitata è uguale alla somma delle pressioni parziali esercitate da ciascuno dei gas che compongono la miscela:

p = P₁ + P₂ + ... + pᵢ + ... + pₙ = Σ pᵢ

Il Calore e le sue Unità di Misura

La formula del calore è Q = c · m · (Tf - Ti), dove:

• Q: calore rilasciato o assorbito.
• m: massa del corpo.
• Tf e Ti: temperature finale e iniziale.

Q è positivo se la temperatura finale è superiore alla iniziale (Tf > Ti) e negativo nel caso opposto.

Unità di misura:

• Caloria (cal): quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un grammo di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C.
• Kilocaloria (kcal): quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un chilogrammo (kg) di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C. (1 kcal = 1000 cal).
• British Thermal Unit (BTU): quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di una libbra di acqua da 63 °F a 64 °F. (1 BTU = 252 cal).
• Joule (J): l'unità di energia meccanica. Il rapporto è 1 cal = 4,186 Joule.

Calore Specifico

Il calore specifico di una sostanza è equivalente alla quantità di calore per unità di massa e temperatura necessaria per aumentare la temperatura di un grado: C = Q / ΔT.

• Calore specifico a volume costante (Cv): Cᵥ = (dQ / dT)ᵥ = costante.
• Calore specifico a pressione costante (Cp): Cₚ = (dQ / dT)ₚ = costante.

Primo Principio della Termodinamica

L'equazione fondamentale è: dQ = dU + p dV.

In un processo adiabatico (dove dQ = 0), si ha: dU = - dW.

Durante un'espansione adiabatica, il lavoro (W) è compiuto verso l'ambiente ed è positivo; di conseguenza, il lavoro avviene a spese dell'energia interna (dU). Pertanto, dU e dT saranno negativi, portando a una diminuzione della temperatura durante l'espansione.