Fisica at University of Trento

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Primo principio della dinamica

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Massa inerziale e gravitazionale

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Primo principio della dinamica e sistemi inerziali

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Forze naturali o fondamentali

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Conduttori ed isolanti

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Sorgente di calore o serbatoio termico

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Energia interna di un gas

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Gradi di libertà

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Equilibrio termodinamico

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Principio zero della termodinamica

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Trasformazione quasi-statica

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Espansione libera di un gas

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Fisica

Primo principio della dinamica

Conosciuto anche come principio di inerzia:

Un corpo tende a mantenere il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, se non interviene una forza esterna a cambiare tale stato. 


Questa legge vale solamente in sistemi di riferimento inerziali, ovvero sistemi in cui vale la legge d'inerzia o primo principio della dinamica.


La formulazione più generale è la seguente:

Principio di conservazione della quantità di moto:

Quando la risultante delle forze esterne è nulla, la quantità di moto totale del sistema rimane costante nel tempo ed il centro di massa si muove di moto rettilineo uniforme o resta in quiete.

Fisica

Massa inerziale e gravitazionale

La massa inerziale è stata introdotta dalla seconda legge di Network o secondo principio della dinamica, e descrive l'inerzia del corpo, ossia la capacità che i corpi hanno di opporsi alle variazioni del loro stato di moto.


La legge di gravitazione universale invece descrive che due corpi dotati di massa si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, e chiamiamo questo tipo di massa gravitazionale.


La massa inerziale e quella gravitazionale sembrano coincidere sperimentalmente, ma non era qualcosa di scontato essendo grandezze che misurano caratteristiche differenti dei corpi.

Fisica

Primo principio della dinamica e sistemi inerziali

La prima legge della dinamica o principio d'inerzia dice che:

Un corpo non soggetto a forze non subisce cambiamenti di velocità, ovvero resta in quiete se era fermo (velocità nulla) oppure si muove di moto rettilineo uniforme (se la velocità è costante).

Di conseguenza, la variazione di velocità in modulo, in direzione o entrambi è dovuta all'azione di una forza.


Un sistema è inerziale se al suo interno vale la legge d'inerzia.

Una volta individuato un sistema di riferimento inerziale, ne esistono infiniti rispetto ad esso, che si muovono in moto rettilineo uniforme rispetto al sistema originale, ossia con velocità costante.


Noi assumiamo che la terra sia un sistema di riferimento inerziale nello svolgere degli esercizi, in realtà non lo è perché ci sono accelerazioni derivanti dall'interazione tra i corpi celesti.

Fisica

Forze naturali o fondamentali

Le forze naturali o fondamentali sono le interazioni o forze della natura che permettono di descrivere i fenomeni fisici a tutte le scale di distanza ed energia. Sono state individuate quattro forze fondamentali: l'interazione gravitazionale, l'interazione elettromagnetica, l'interazione debole e l'interazione forte.


Interazione gravitazionale:

due corpi si attraggono in modo direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse gravitazionali ed inversamente proporzionale alla loro distanza. è la più debole tra le forze fondamentali.


Interazione elettromagnetica:

determina l'interazione tra corpi carichi elettricamente ed è indipendente dalla massa, ma dipendente solamente dalla carica. Questa ha molti effetti in sistemi piccoli, ma pochi in macroambienti come l'interazione tra pianeti.


Interazione debole:

o nucleare debole, è responsabile delle forze che intervengono nei decadimenti nucleari.


Interazione forte:

o nucleare forte, è la forza più intensa tra quelle conosciute tiene uniti i quark.

Fisica

Conduttori ed isolanti

Chiamiamo conduttori elettrici quei materiali che possono essere attraversati da cariche elettrice, ossia in cui le cariche possono muoversi, come i metalli.

Chiamiamo invece isolanti elettrici i materiali in cui le cariche non sono libere di muoversi, come la plastica o il vetro.

Fisica

Sorgente di calore o serbatoio termico

Una sorgente di calore o serbatoio termico è un corpo a temperatura costante che ha la proprietà di cedere o di assorbire una qualsiasi quantità di calore Q mantenendo costante la propria temperatura. 

Si tratta chiaramente di un ente ideale, ma utile per approssimare alcuni sistemi.

Può essere pensato come un corpo con infinita capacità termica.

Fisica

Energia interna di un gas

La variazione di energia interna di un gas permette di esprimere quanta energia il gas scambia con l'ambiente circostante.

Nel calcolo della variazione di energia interna, non ci interessa sapere quale particolare trasformazione è stata seguita dallo stato iniziale a quello finale, ci basta solo conoscere questi due stati. L'energia interna viene quindi detta funzione di stato.


Nel modello dei gas ideali l'energia interna è data dalla sola energia cinetica media delle molecole del gas, moltiplicata per la costante di Avogadro e la quantità di gas. 

Fisica

Gradi di libertà

Il numero di gradi di libertà di un punto materiale è il numero di variabili indipendenti necessarie per determinare univocamente la sua posizione nello spazio.


In termodinamica, l'energia cinetica di una molecola di un gas si distribuisce ugualmente tra i suoi diversi gradi di libertà. Una molecola di gas monoatomico ha 3 gradi di libertà, mentre una di gas biatomico ne ha 5 (dato che due coordinate sono legate dalla distanza fissa dei due atomi).

Fisica

Equilibrio termodinamico

Diciamo che un sistema è in equilibrio termodinamico se si verificano le seguenti condizioni:

  • Equilibrio meccanico: non viene esercitato lavoro tra sistema e ambiente esterno
  • Equilibrio termico: non avviene alcuno scambio di calore con l'ambiente esterno
  • Equilibrio chimico: non avvengono reazioni chimiche nel sistema.

Fisica

Principio zero della termodinamica

Enunciato:

Se il corpo A è in equilibrio termico con il corpo C e anche un corpo B è in equilibrio termico con il corpo C, allora A è in equilibrio termico con il corpo B.

Fisica

Trasformazione quasi-statica

In una trasformazione quasi-statica il sistema passa attraverso una serie di stati di equilibrio compresi tra quello iniziale A e quello finale B. Si immagina quindi che, in ogni punto del grafico della trasformazione nel piano pV il gas sia in equilibrio termico e meccanico.

Una tale situazione si può raggiungere quando la trasformazione è molto lenta: possiamo allora immaginare che il sistema operi progressivamente un gran numero di piccolissime trasformazioni, in ognuna delle quali scambia quantità infinitesime di calore e lavoro al punto di poterlo considerare in equilibrio.

Fisica

Espansione libera di un gas

L'espansione libera di un gas è una trasformazione termodinamica irreversibile sia isoterma che adiabatica, per cui un gas inserito in un contenitore tende a occupare tutto il volume disponibile.

L'espansione viene chiamata libera perché non servono forze esterne per ottenere questo risultato, ma si comporta in questo modo naturalmente.


In un'espansione libera del gas si ha una variazione di pressione e volume, ma non di temperatura, quindi l'energia interna non cambia. Non si hanno neanche variazioni di calore, di conseguenza anche Q è 0. Questo significa che il lavoro compiuto è nullo.


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