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I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA (Le trasformazioni termodinamiche possono…
I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA
Le trasformazioni termodinamiche possono essere rappresentate su un piano cartesiano Pressione-Volume definito
piano di Clapeyron
Si distinguono tre tipi di trasformazioni termodinamiche, che nel loro insieme compongono un
ciclo termodinamico
.
trasformazione
isoterma
a temperatura costante
trasformazione
isocora
a volume costante
trasformazione
isobara
a pressione costante
Il lavoro compiuto per portare a termine la trasformazione è definito geometricamente come l'area sottesa alla curva che rappresenta la trasformazione nel piano di Clapeyron.
In una trasformazione isobara
il lavoro compiuto dal gas (o sul gas) in un cilindro con pistone è dato dal prodotto tra la forza esercitata e lo spostamento del pistone. Compiendo le opportune sostituzioni (F = pS e poi SΔL = ΔV) si ottiene che
il lavoro in una trasformazione isobara è dato dal prodotto della pressione (costante) per la variazione di volume
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Una trasformazione termodinamica che porti un sistema dallo stato A allo stato C può avvenire in più modi diversi.
A seconda del percorso compiuto:
il lavoro cambia
perché l'area sottesa alla curva cambia
il calore scambiato
sistema-ambiente
è diverso
sperimentalmente si è osservato che
non cambia la differenza Q - L
che dipende solo dallo stato iniziale e finale
LA VARIAZIONE ΔU DELL'ENERGIA INTERNA AL SISTEMA CORRISPONDE ALLA DIFFERENZA DEL CALORE Q E DEL LAVORO L
ΔU = Q - L
In un ciclo, in cui stato iniziale e finale del sistema coincidono, la
variazione di energia interna del sistema è nulla
.
Trasformazione isobara
: a causa del calore assorbito il sistema compie un lavoro pari a L = pΔV;
L'energia interna ΔU varia in base al primo principio della termodinamica.
Trasformazione isocora
: il volume non varia, il gas non può comprimersi né subire lavoro dall'esterno L = 0.
ΔU = Q
Trasformazione isoterma
: la temperatura non varia quindi l'energia interna al sistema rimane costante.
ΔU = 0
Trasformazione adiabatica
: quando il sistema non può scambiare calore con l'ambiente esterno.
Q = 0 e ΔU = - L
MACCHINA TERMICA
: una "macchina" che trasforma calore in energia meccanica compiendo un ciclo di trasformazioni termodinamiche.
Le macchine termiche assorbono calore Q2 da una sorgente calda, trasformano parte di questo calore in lavoro meccanico L e liberano una certa quantità di calore residuo
inutilizzato
Q1.
Il
rendimento
di una macchina termica + il rapporto tra lavoro compiuto e calore assorbito dalla sorgente e si indica con R.
Partendo dalla variazione di energia interna e operando le opportune sostituzioni si definisce che
il rendimento di una qualsiasi macchina termica varia SEMPRE tra 0 e 1
.
MACCHINA TERMICA IDEALE DI CARNOT
: senza attriti e dispersione di calore, compie un ciclo costituito da due trasformazioni isoterme e due adiabatiche.
Carnot fece alcune scoperte fondamentali:
il rendimento delle macchine termiche dipende
solo
dalla temperatura delle sorgente calda T2 e da quella dell'ambiente T1
il rendimento è dato da
le macchine reali hanno tutte un rendimento inferiore alla macchina ideale di Carnot
nella realtà per aumentare il rendimento è necessario ridurre il più possibile la temperatura a cui si scambia calore con l'ambiente quindi costruire
efficaci sistemi di raffreddamento
Se invece di trasferire calore da una sorgente calda a un'altra fredda si inverte il ciclo si
compie un lavoro dall'esterno sul gas
e si parla di
ciclo frigorifero
.
Si parla di
coefficiente di prestazione
della macchina frigorifera e si esprime come
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
ci sono tuttavia dei limiti in queste trasformazioni infatti due sono le domande poste:
non si potrebbero progettare macchine termiche che trasformino tutto il calore assorbito in lavoro?
infatti in questo modo il rendimento di una macchina ideale sarebbe esattamente uguale a 1 e quello di una macchina termica reale si avvicinerebbe a questo valore
_
non si potrebbe progettare frigoriferi che si limitino a sottrarre calore dall'interno del frigorifero e a trasferirlo all'esterno senza la necessità di aggiungere lavoro esterno?
i limiti di fattibilità sono posti dal secondo principio della termodinamica, principio che espresso attraverso enunciati diversi nella forma, ma equivalenti nel principio di base
ENUNCIATO DI KELVIN PLANCK:
non è possibile realizzare una macchina termica il cui unico risultato sia quello di trasformare in energia meccanica il calore estratto da una sola sorgente
ENUNCIATO DI CLAUSIUS: non è possibile realizzare una macchina frigorifera il cui unico risultato sia quello di trasferire calore dalla sorgente più fredda a quella più calda
