Il concetto di mole permette di scrivere l’equazione di stato (11) del gas perfetto \[ {pV}={\left( \frac{{p}_{0}{V}_{0}}{{T}_{0}}\right)}{T} \] in una forma diversa e più utile per i calcoli. Gli esperimenti, fatti da Avogadro per primo,...

Possiamo aumentare la temperatura di un corpo in due modi: ponendolo a contatto con un altro corpo più caldo; mediante una forza che compie lavoro.

Ogni volta che si scalda un corpo (con il calore o con il lavoro), la sua energia aumenta. Per esempio: Erone di Alessandria inventò la eolipila, che è considerata la prima macchina a vapore: scaldando l’acqua contenuta nella macchina, il vapore...

L’assorbimento della stessa quantità di energia non provoca lo stesso aumento di temperatura in tutti i corpi. Per esempio, il calore prodotto da un accendino rende incandescente uno spillo, ma farebbe aumentare di pochissimo la temperatura...

Dall’esperimento di Joule conosciamo il valore del calore specifico c1 dell’acqua. Partendo da questo dato, il calore specifico di un’altra sostanza può essere misurato mediante un calorimetro, che è un contenitore leggero (in modo che non...

Nei processi di conduzione e di convezione è necessaria la presenza di materia. Ma l’energia si propaga anche nel vuoto. Ciò è confermato dal fatto che il calore del Sole arriva sulla Terra dopo avere viaggiato per circa 150 milioni di kilometri...

Grazie all’irraggiamento, l’energia emessa dal Sole (che ha una temperatura superficiale di circa 6000 K) giunge fino alla Terra sotto forma di onde elettromagnetiche. Su una superficie di 1 m2, disposta perpendicolarmente ai raggi del Sole appena...

Nel 1827, il botanico Robert Brown osservò con un microscopio che un granello di polline sospeso nell’acqua si muove velocemente a zig-zag, con un moto incessante e del tutto irregolare. Dal suo nome questo fenomeno è detto moto browniano....

Il movimento incessante delle molecole rivelato dal moto browniano permette di costruire un modello microscopico del gas perfetto. Dal punto di vista macroscopico un gas perfetto è un gas rarefatto a una temperatura molto maggiore di quella di...

Moltiplicando per V i due membri dell’equazione (2) vediamo che, dal punto di vista microscopico, per il gas perfetto vale la relazione: \[ {pV}=\mathrm{\frac{2}{3}}{NK}_{\mathrm{media}}. \] Ma per il gas perfetto vale anche l’equazione di stato...

Consideriamo N molecole che hanno la stessa massa m e velocità v1, v2, …, vN. L’energia cinetica media di traslazione può essere calcolata come \[ \begin{array}{l} {K}_{\mathrm{media}}...

L’energia interna di un sistema fisico è l’energia complessiva di tutte le sue componenti microscopiche. Per esempio, nel caso di una goccia d’acqua, l’energia interna è l’energia totale posseduta dalle molecole d’acqua contenute...

L’energia interna di tutti i corpi è la somma di due contributi. Il primo, di segno positivo, è dato dall’energia cinetica totale dei «grani» che costituiscono il sistema. La tendenza dell’energia cinetica è sempre quella di disgregare o...

Sulla Terra la materia si presenta sotto tre forme diverse: stato solido, stato liquido e stato gassoso (o aeriforme). Mediante scambi di calore si può ottenere il passaggio da uno stato di aggregazione all’altro. I cambiamenti di stato sono...

Se forniamo calore a un oggetto solido, per esempio metallico, questo dapprima si riscalda. A un certo punto, però, si osserva un cambiamento: l’oggetto inizia a diventare liquido. È questo il fenomeno della fusione.

Riprendiamo ora l’esperimento e ricominciamo a scaldare lo stagno, passato allo stato liquido. Facendo ciò, vediamo che la sua temperatura aumenta fino a quando si giunge a 2270 °C e lo stagno inizia a bollire. Come si vede dalla figura 4,...

Facciamo evaporare dell’acqua in un recipiente chiuso nel quale viene fatto il vuoto con una pompa. La pompa fa diminuire rapidamente la pressione perché viene rimossa l’aria che sovrasta l’acqua. Chiuso il rubinetto, l’acqua evapora e...

Per condensare (cioè rendere liquido) un vapore si possono seguire due strade diverse: lo si può comprimere mantenendo costante la temperatura; lo si può raffreddare mantenendo costante la pressione. Comprimendo il vapore a temperatura...

I cambiamenti di stato hanno un ruolo molto importante nei fenomeni meteorologici: per esempio, aspetti fondamentali di questi fenomeni sono l’evaporazione delle acque superficiali e degli oceani; la condensazione del vapore d’acqua a formare...

La sublimazione è il passaggio diretto di un materiale dallo stato solido a quello aeriforme. Avviene in sostanze come lo iodio e la canfora. Per esempio, riscaldando un pezzo di iodio, si vedono sprigionarsi dei vapori violacei. Dopo un po’ tutto...

La sensazione di caldo e di freddo è soggettiva: toccando un pezzo di ferro si ha una sensazione di freddo, mentre un pezzo di legno nello stesso ambiente ci sembra più caldo. Per rendere precisa e misurabile questa impressione costruiamo uno...

La stessa forza può avere effetti diversi a seconda di come agisce su una superficie. Una persona, che cammina sulla neve fresca, con le racchette affonda poco, perché il suo peso si distribuisce sulla superficie della racchetta. Se ha solo...

Mettiamo un palloncino gonfiato con aria all’interno di un recipiente pieno d’acqua e provvisto di un pistone scorrevole. Premiamo sul pistone. Il palloncino diventa più piccolo per effetto della pressione esercitata dal pistone...

I corpi solidi, come i liquidi, tendono a dilatarsi quando sono riscaldati e a contrarsi quando sono raffreddati. Una barra sottile, fatta del materiale che si vuole esaminare, è collegata a un indice mobile. Riscaldando la barra, questa si...

Un subacqueo è sottoposto alla pressione dell’acqua che lo sovrasta. Ma anche fuori dall’acqua egli subisce una pressione, detta pressione atmosferica, dovuta al peso della colonna d’aria che si trova sopra di lui. Nessuno si rende conto di...

Il valore della pressione atmosferica può essere misurato con un’esperienza ideata da Evangelista Torricelli. Dopo avere riempito di mercurio un tubo lungo e sottile chiuso a una estremità, lo si capovolge e lo si immerge in una bacinella piena di...

Consideriamo due macchine di Carnot che hanno la sorgente fredda alla temperatura T1= 300 K e che prelevano 100 J di calore dalla sorgente calda. La prima macchina ha la sorgente calda a TA = 400 K e, quindi, un rendimento \(...

Dati due stati A e B di un sistema, scegliamo una qualunque trasformazione reversibile che fa passare da A a B. Definiamo una nuova grandezza fisica che si chiama entropia ed è indicata con il simbolo S.

Consideriamo un sistema chiuso e isolato Ω, cioè un sistema fisico che non scambia materia ed energia con l’esterno. Supponiamo inoltre che tale sistema sia diviso a sua volta in due sottosistemi Ω1 e Ω2 che possono interagire. Per esempio, il...

Un sistema isolato si trova in uno stato iniziale A (che non è di equilibrio termodinamico) e viene lasciato libero di evolvere nel tempo. Vogliamo prevedere quale sarà il nuovo stato di equilibrio B a cui esso si porterà. In generale, il primo...

In un sistema fisico non isolato l’entropia può diminuire. Questo è ciò che accade, per esempio, all’interno di un frigorifero che si raffredda: in questo caso si ha ΔQ < 0 e, di conseguenza, ΔS < 0. Però tale diminuzione di...

Possiamo comprendere meglio il secondo principio della termodinamica e, in particolare, la tendenza alla crescita dell’entropia analizzando le proprietà degli scambi di energia a livello microscopico.

Nel capitolo «La temperatura» abbiamo definito lo stato di un sistema fisico come l’insieme delle variabili macroscopiche che permettono di identificare le proprietà del sistema. Per esempio, lo stato di una quantità fissata di gas perfetto è...

Ludwig Boltzmann dimostrò che l’entropia S(A) del macrostato A è data dalla formula  che è detta equazione di Boltzmann. Questa formula è scritta scegliendo lo zero dell’entropia nel modo descritto nel paragrafo 2, cioè assegnando il...

Lo sviluppo della termodinamica ha permesso di raggiungere temperature sempre più basse, sia per applicazioni pratiche, sia per ricerca. 1834: Charles Saint-Ange Thilorier raggiunge la temperatura di −110 °C (163 K), producendo anidride carbonica...

Una goccia di pioggia che cade su una pozzanghera genera un’increspatura circolare che si allarga sempre più. Osservando tale fenomeno, possiamo notare due moti distinti. La perturbazione si muove verso l’esterno in orizzontale. Un tappo,...

Muoviamo in su e in giù l’estremità di una corda senza cambiare ritmo. Per compiere un’oscillazione completa impieghiamo, per esempio, 0,5 s. Mentre la mano continua a muoversi, la grandezza «spostamento di un pezzetto di corda» oscilla e...

Se stiamo in una stanza con la porta socchiusa, sentiamo ciò che accade in una stanza vicina. Come abbiamo detto nel capitolo precedente, c’è una perturbazione (un suono) che si propaga nello spazio senza che si abbia uno spostamento apprezzabile...

Il suono è un’onda sonora periodica. Invece i rumori sono onde sonore che non hanno forma periodica. Un suono ha tre caratteristiche: l’altezza, l’intensità e il timbro. L’altezza distingue un suono più acuto da uno più grave e dipende...

Non tutte le onde sonore sono percepite come suono dal nostro sistema orecchio-cervello. Per essere udibile, un’onda sonora deve avere una frequenza compresa tra 20 Hz e 20 000 Hz. A frequenze inferiori corrispondono gli infrasuoni e a quelle...

In condizioni particolari capita di udire la nostra stessa voce, che sembra provenire da un luogo lontano. È questo il fenomeno dell’eco. L’eco è dovuta alla riflessione delle onde sonore, cioè al fatto che il suono si comporta come se...

La fotografia a lato mostra un impulso trasversale in una molla fissata a un estremo fisso. La perturbazione si propaga lungo l’intera molla, si riflette e torna indietro capovolta. Questo è, dopo quello delle onde sonore visto nel paragrafo...

Quando un’ambulanza si muove verso di noi sentiamo che la sirena emette un suono più acuto di quello che udiamo quando la stessa ambulanza è ferma; quando l’ambulanza si allontana, il suono che percepiamo è più grave. È questo un esempio di...

Che cos’è la luce? A partire dal 1600 sono state date due risposte diverse a questa domanda, e sono stati sviluppati due modelli rivali: il modello corpuscolare, proposto da Isaac Newton, e il modello ondulatorio, sostenuto dal fisico, astronomo e...

L’esperimento che mostra l’interferenza della luce fu eseguito la prima volta nel 1801 dal fisico e medico Thomas Young (1773-1829); grazie al suo apparato sperimentale egli riuscì anche a misurare la lunghezza d’onda della luce di vari...

Nell’esperienza quotidiana osserviamo che la luce disegna ombre nette. Tuttavia, in condizioni particolari la luce diffrange, cioè aggira gli ostacoli e invade la zona d’ombra. Facciamo passare un fascio di luce attraverso una fenditura....

L’apparato di Young, la fenditura di diffrazione e il reticolo di diffrazione sono strumenti di misura che permettono di verificare che a ciascun colore della luce corrisponde una particolare lunghezza d’onda, e quindi una particolare frequenza,...

La fascia colorata che si vede nell’arcobaleno o nella luce rifratta da prismi è lo spettro solare. Ma, utilizzando un prisma o un reticolo di diffrazione (figura 8), si possono ottenere altri spettri esaminando sorgenti luminose diverse dal Sole....

Un pettine di plastica sfregato contro un golf di lana acquista una proprietà che prima non aveva: quella di attirare a sé degli oggetti molto leggeri, come palline di polistirolo o pezzetti di carta. Un corpo che ha acquisito la capacità di...