Fisica tecnica ambientale:Nozioni generali di fisica tecnica/sub

La fisica

Per approfondire, vedi la pagina Fisica.

La fisica si può suddividere in diversi rami:

• meccanica, che studia i fenomeni di movimento
• acustica che studia i fenomeni sonori
• termologia', che studia i fenomeni termici
• ottica, che studia la natura della luce e i fenomeni ai quali essa dà luogo
• elettricità, che studia i fenomeni elettrici
• fisica atomica, nucleare e delle particelle fondamentali, che ha come oggetto lo studio dell'atomo.
• eccetera...

Dai tempi di Galileo Galilei la fisica si basa sul metodo sperimentale, ovvero l'analisi critica dei fenomeni. La metodologia segue questi passaggi:

1. osservazione dei fenomeni
2. formulazione delle ipotesi di leggi che regolano i fenomeni
3. verifica delle ipotesi con opportune esperienze

Una volta verificate, le leggi assumono valore generale e possono essere impiegate per prevedere lo sviluppo di altri fenomeni analoghi.

Definizione delle grandezze fisiche

Per approfondire, vedi la pagina Definizioni delle grandezze fisiche.

Proprietà della materia

Stati di aggregazione

La materia può presentarsi in tre differenti stati di aggregazione:

• solido
• liquido
• gassoso o aeriforme

Se si aumenta la temperatura di una sostanza allo stato solido aumenta il moto molecolare finché si rompe la struttura e le molecole scorrono le une sulle altre, anche se non si allontanano (stato liquido).
Incrementando ancora la temperatura, l'agitazione delle molecole aumenta ancora, finché le molecole si allontanano e l'energia cinetica vince completamente l'effetto delle forze di coesione (stato gassoso).
Lo stato solido è caratterizzato da volume e forma propri e dalla pressoché assoluta incomprimibilità. Allo stato liquido si mantengono il volume proprio e l'incomprimibilità, mentre la forma dipende dal recipiente. Allo stato gassoso sia il volume che la forma dipendono dal contenitore; inoltre, si perde l'incomprimibilità.

Cambiamenti di stato

Un cambiamento di stato è il passaggio da uno all'altro dei tre possibili stati di aggregazione della materia.

Un cambiamento di stato corrisponde ad una variazione del rapporto tra energia cinetica delle molecole ed energia potenziale delle forze molecolari.

I possibili cambiamenti di stato sono:

• fusione: da solido a liquido
• evaporazione: da liquido ad aeriforme
• condensazione: da aeriforme a liquido
• solidificazione: da liquido a solido
• sublimazione: da solido ad aeriforme
• brinamento(o deposizione): da aeriforme a solido.

Richiami di meccanica

Per approfondire, vedi la pagina Meccanica.

Cinematica

	La cinematica studia il movimento, distinguendo tra i vari tipi di moto e le loro caratteristiche, indipendentemente dalle cause che lo provocano.

	Si definisce come traiettoria di un punto P la linea che unisce tutte le posizioni che sono occupate successivaente dal punto P.

Posizione e sistema di riferimento

Il sistema di riferimento più comunemente utilizzato è il sistema cartesiano, che consiste in 3 rette ortogonali e un punto O (origine) nel quale si incontrano queste rette. Si utilizzano tre coordinate, indicate con x, y e z.

La posizione di un corpo dipende dal sistema di riferimento.

Spostamento, velocità ed accelerazione

Spostamento, velocità ed accelerazione sono definite come vettori caratterizzati, quindi, da:

• modulo (valore numerico)
• direzione
• verso

	Spostamento ($\vec s$): distanza rispetto all'origine del sistema di riferimento [m] Velocità ($\vec{v}$): variazione dello spostamento nel tempo [m/s] Accelerazione ($\vec{a}$): variazione della velocità nel tempo [m/s2]

	$\vec v = \lim_{\Delta t \rightarrow 0} \frac{\vec {\Delta s}}{\Delta t} = \frac{\vec ds}{dt}$ $\vec a = \lim_{\Delta t \rightarrow 0} \frac{\vec {\Delta v}}{\Delta t} = \frac{\vec dv}{dt}$

I tipi di moto

A seconda delle caratteristiche del movimento si distinguono diversi tipi di moto. Segue un breve elenco di alcuni di essi:

• moto uniforme
• moto vario
• moto uniformemente vario
• moto oscillatorio
• moto armonico

Richiami di statica

Per approfondire, vedi la pagina Statica.

	La statica studia le condizioni di equilibrio dei corpi, cioè il caso di un corpo assoggettato a più forze che non si muove perché gli effetti prodotti dalle forze si annullano.

	Forza: una qualsiasi causa capace di produrre o modificare un movimento.

Si dice che a un corpo è applicata una forza se esso, essendo prima in uno stato di quiete, tende a mettersi in movimento, in modo che, se è libero di muoversi (non vincolato), si muove effettivamente, mentre se è trattenuto nella sua posizione da uno o più vincoli, questi si deformano più o meno a seconda della loro rigidità.

	La forza è un vettore: pertanto è definita da tre parametri (intensità o modulo, direzione, verso).

Lo strumento classico di misura delle forze è il dinamometro a molla.

L'unità di misura della forza è il newton [N], dove $1 N = 1 kg \times 1 \frac{m}{s^2}$

Richiami di dinamica

Per approfondire, vedi la pagina Richiami di dinamica.

	La dinamica studia il movimento dei corpi con riferimento alle cause che lo producono.

La dinamica si fonda su 3 principi: Primo principio o principio di inserzia: Ogni corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché qualche forza ad esso applicata non lo costringa a mutarlo. Secondo principio o legge fondamentale della dinamica: Una forza costante applicata ad un corpo libero gli imprime una accelerazione che ha la direzione e il verso della forza e la cui intensità è proporzionale all'intensità della forza. Terzo principio o principio di azione e reazione: Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.

	Secondo il secondo principio della dinamica: $\vec F = m \times \vec a$

Termologia

	La termologia è il settore della fisica che si interessa dei fenomeni termici, ovvero studia quei fenomeni in cui hanno una grande importanza la temperatura e il calore.

Temperatura

	La temperatura è una variabile caratteristica dello stato di un sistema: essa rappresenta l'energia cinetica posseduta da tutte le molecole che compongono il sistema.

La misura della temperatura avviene mediante misurazione della variazione di un'altra grandezza che dipende dalla temperatura stessa. Le grandezze generalmente utilizzate sono:

• la lunghezza di un corpo solido
• il volume di un corpo (come nei vecchi termometri a colonnina di mercurio)
• la resistenza elettrica di un metallo
• la forza elettromotrice prodotta da corpi solidi di diversa conducibilità elettrica
• l'intensità di radiazione

Lo strumento più diffuso per la misurazione della temperatura è il termometro.

La scala di temperatura Celsius (1742) è basata su una relazione lineare tra la variazione della temperatura e la variazione di volume del mercurio.
La taratura della scala è fondata su due punti caratteristici:

• la temperatura di fusione del ghiaccio ad una pressione di 1 atm, posta pari a 0°C
• la temperatura di ebollizione dell'acqua distillata alla stessa pressione, posta pari a 100°C

Nella scala di temperatura assoluta (Kelvin) l'ampiezza del grado corrisponde a quella del grado Celsius, ma lo zero è posto al valore minimo di temperatura ottenibile (zero assoluto), pari a circa -273°C. Pertanto:

	$T_{(K)} = t_($°$_{C)} + 273,15$

Calore

	Il calore, o energia termica, è una forma di energia che viene scambiata tra le parti di un sistema o tra il sistema e l'ambiente esterno per effetto di una differenza di temperatura.

In natura questo trasferimento di energia avviene spontaneamente dalle zone a temperatura maggiore (più calde) a quelle a temperatura minore (più fredde).

Come per la misura della temperatura, anche la misura della quantità di calore trasferita avviene mediante misurazione della variazione di un'altra grandezza indotta dal trasferimento di calore: la grandezza generalmente utilizzata è proprio la temperatura.

Lo strumento utilizzato per la misura del calore è il calorimetro.

L'unità tradizionalmente usata per misurare l'energia termica è la caloria (cal). Si definisce la caloria come la quantità di calore che viene ceduta ad un grammo di acqua alla pressione di 1 atm (101 325 Pa) per innalzare la sua temperatura di un grado (precisamente da 14,5°C a 15,5°).

Capacità termica e calore specifico

La capacità di un corpo di accumulare calore è determinata dalla sua capacità termica (C).

	La capacità termica è il calore necessario ad aumentare di un grado centigrado la temperatura di un corpo.

	In termini infinitesimi è possibile scrivere: $C = \frac{\delta Q}{dT}$

La capacità termica dipende dalla natura del corpo e dalla sua massa. Una grandezza indipendente dalla massa è, invece, il calore specifico (c).

	Il calore specifico è il calore necessario per aumentare di un grado centigrado l'unità di massa di un certo corpo.

	In termini infinitesimi è possibile scrivere: $c = \frac{\delta Q}{dT \cdot dM}$

Il calore specifico dipende dalla natura del corpo considerato, ma, per gli aeriformi, esso dipende anche dal modo in cui avviene il riscaldamento. Pertanto, si può definire un calore specifico a pressione costante (c_p) e un calore specifico a volume costante (c_v). Particolarmente specifico è il rapporto tra i due calori specifici c_p e c_v:

	$k = \frac{c_p}{c_v}$