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LA TERMODINAMICA (Studia le leggi con cui i sistemi cedono e ricevono…
LA TERMODINAMICA
Studia le leggi con cui i sistemi cedono e ricevono energia dall'ambiente. Gli scambi di energia avvengono sotto forma di calore e lavoro. L'energia interna di un sistema aumenta o diminuisce se esso acquista energia dall'ambiente e viceversa.
IL PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA
Le grandezze p,T di un sistema sono definite solo se hanno lo stesso valore in tutti i punti. Ciò si ottiene se il sistema si trova in equilibrio termodinamico, ossia:
-equilibrio meccanico, la risultante di tutte le forze interne ed esterne deve essere zero;
-equilibrio termico, la temperatura deve essere uniforme in tutto il fluido;
-equilibrio chimico, la struttura interna e la composizione chimica devono restare immutate.
TRASFORMAZIONI REALI E QUASISTATICHE
se un sistema in uno stato A viene portato fino ad uno stato B, la situazione intermedia è difficile da descrivere.
La trasformazione reale di un sistema nel piano p-V è rappresentata da un "fuso", in cui solo A e B sono definiti.
La trasformazione quasi statica è un procedimento ideale che passa attraverso un numero enorme di stati intermedi di equilibrio termodinamico, poco differenti tra loro.
Le trasformazioni termodinamiche si possono rappresentare sul piano di Clapeyron:
-ogni punto del piano rappresenta uno stato del sistema
-è caratterizzato da una coppia di valori (p,V)
-ogni linea sul piano rappresenta una trasformazione
-un insieme di trasformazioni che riporta il sistema al suo stato iniziale è detto ciclo termodinamico
Una trasformazione isòbara (p costante) è rappresentata da un segmento parallelo all'asse orizzontale (V).
Una trasformazione isocòra (V costante) è rappresentata da un segmento parallelo all'asse verticale (p).
Una trasformazione isoterma avviene a temperatura costante. Quella del gas perfetto è un arco di iperbole.
Altre trasformazioni i quasistatiche importanti sono: -trasformazioni adiabatiche, in cui non vi sono scambi di calotta il sistema e l'ambiente esterno;
-trasformazioni cicliche, in cui lo stato finale del sistema coincide con quello iniziale.
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IL LAVORO: all'interno di un cilindro con pistone mobile un gas può:
-interagire con l'ambiente esterno e compiere lavoro sollevando il pistone
-subire il lavoro se il pistone viene abbassato dall'esterno
Se le trasformazioni avvengono abbastanza lentamente sono interpretabili come una serie di stati di equilibrio.
Il lavoro in una trasformazione isobara è dato dal prodotto della pressione (costante) per la variazione di volume.
Se il volume aumenta il lavoro è positivo. se diminuisce è negativo.
Nel piano di Clapeyron il lavoro è dato dall'area delimitata dalla curva della trasformazione e dai segmenti verticali che corrispondono ai valori iniziale e finale del volume.
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IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA L'energia interna è una grandezza di stato e la sua variazione durante una trasformazione non dipende dal percorso ma solo dallo stato iniziale e finale del sistema. In un ciclo la variazione di energia interna è nulla.
La variazione ΔU dell'energia interna di un sistema è uguale alla differenza tra il calore Q assorbito dal sistema e il lavoro L compiuto dal sistema.
Poiché l'energia interna dipende solamente dallo stato del sistema, in un ciclo la ΔU è nulla. IL primo principio esprime un bilancio energetico tra ciò che entra e ciò che esce dal sistema.
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Lo stato di un gas contenuto in un recipiente con pistone è descritto da quattro grandezze, misurate come indicato:
il volume V in m^3 ( si misura h, V=Sh);
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Le trasformazioni: un gas può subire infinite trasformazioni. Le principali sono quelle in cui una delle tre grandezze T, p, V non varia.
Se la trasformazione viene a V costante prende il nome di trasformazione ISOCORA. In questo caso variano T e p.
Se la trasformazione avviene a p costante prende il nome di trasformazione ISOBARA. In questo caso variano T e V.
Se la trasformazione avviene a T costante pre de il nom e di trasformazione ISOTERMA. I. questo caso variano V e p.
LE LEGGI
La PRIMA LEGGE DI GAY-LUSSAC (p costante): riscaldiamo il gas mantenendo costante la pressione. Il volume del gas aumenta con la temperatura. Questa legge regola sia il riscaldamento che il raffreddamento di un gas: se t aumenta V aumenta, se t diminuisce V diminuisce. La legge V = V0 (1 + at) indica che, a p costante, le variazioni di V sono direttamente proporzionali alle variazioni di t: il grafico nel piano è una retta.3 
La costante a: queste legge vale solo per gas non troppo compresso E a temperature lontane da quella di liquefazione.
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La legge di Boyle (T costante): vale anch'essa per gas poco compressi e lontani dalla liquefazione. A temperatura costante, Il prodotto del volume di un gas per la sua pressione è costante: p e V sono inversamente proporzionali; il grafico nel piano è un'iperbole.
La seconda legge di Gay-Lussac (V costante): vale sempre per gas poco compressi e lontani della liquefazione. La pressione del gas se aumenta con la temperatura. Il grafico nel piano è una retta
Il gas perfetto: è un modello ideale di gas. Un gas reale è assimilabile a un gas perfetto in condizioni di bassa pressione, bassa densità e alta temperatura. Nelle condizioni di gas perfetto le legge dei gas possono essere riassunte nell'equazione di stato dei gas perfetti. L'equazione di stato comprende e riassume tutte le leggi dei gas precedentemente presentate, se la T è costante ricaviamo la legge di Boyle, se la p è costante ricaviamo la prima legge di Gay-Lussac e se il V è costante ricaviamo la seconda legge di Gay-Lussac.
Mole (mol): è l'equivalente in grammi della massa atomica o molecolare della sostanza. È l'unità di quantità di materia nel SI. Un amore di materia contiene tante particelle quanti sono gli atomi contenuti in 12 g di carbonio-12.
Il numero di Avogadro: il numero di atomi o molecole contenuti in 12 g di carbonio-12 ed è uguale a Na=6,022 10^23 mol^-1
Volume molare: una mole di un qualsiasi gas, indipendentemente dalla sua massa molecolare, occupa, In condizioni di pressione atmosferica ordinaria e alla temperatura di 0° centigradi, un volume molare di 22,41 l (1 litro=1 dm^3=10^-3 m ^3)
LE MACCHINE TERMICHE:
-una macchina termica trasforma calore in energia meccanica
-assorbe calore da una sorgente calda
-trasforma una parte di questo calore in lavoro meccanico
-cede all'ambiente una certa quantità di calore residuo inutilizzato
Per funzionare, la macchina deve tornare al punto di partenza (anche usando una sorgente fredda): una macchina termica realizza una serie di trasformazioni cicliche. Un esempio è la macchina a vapore. Una centrale termoelettrica è una macchina termica: il vapore fa girare le pale di una turbina, collegata a un alternatore che produce energia elettrica.
Per realizzare una macchina termica servono almeno due sorgenti di calore.Per ogni trasformazione ciclica è ΔU=0, quindi Q=L. Nella macchina termica con due sorgwentizNon tutto il calore assorbito dalla sorgente calda è trasformato in lavoro
Il sistema termodinamico:
- un sistema fisico è una determinata parte di materia che consideriamo separata dal resto dell'universo (ambiente esterno);
- se il sistema scambia calore e lavoro con l'ambiente esterno lo chiameremo sistema termodinamico;
- in un sistema termodinamico distinguiamo -grandezze macroscopiche (misurabili direttamente): pressione, volume, temperatura, quantità di calore, lavoro ed energia interna
-grandezze microscopiche (non misurabili direttamente): massa, velocità, quantità di moto, energia cinetica;
- la termodinamica è riconducibile alle proprietà meccaniche delle particelle microscopiche costituenti sistemi termodinamici.
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