LA TERMODINAMICA
lo stato di un sistema termodinamico e le trasformazioni che esso subisce si possono rappresentare su un piano cartesiano.
dove V= volume va posto sull'asse dell'ascisse, e la p= pressione sull'asse delle ordinate
un tale piano è detto Piano di Clapeyron
Il lavoro
il gas può interagire con l'ambiente esterno e quindi
compiere lavoro sollevando il pistone
subire lavoro se il pistone viene abbassato all'esterno
Se le trasformazioni avvengono abbastanza lentamente, possiamo pensare che il sistema passi attraverso diversi stati di equilibrio
possiamo concludere che: il lavoro in una trasformazione isobara è dato dal prodotto della pressione (costante) per la variazione del volume
se il volume aumenta il lavoro è positivo, se il volume diminuisce il lavoro 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
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: esprime un bilancio energetico tra ciò che entra e ciò che esce, in termini energetici, dal sistema
L' energia interna U 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
essa dipende solo dallo stato del sistema, per questo in un ciclo la variazione di energia è nulla
la variazione dell'energia interna di un sistema è uguale alla differenza tra il calore Q assorbito dal sistema e il lavoro L compiuto dal sistema
LE TRASFORMAZIONI
TRASFORMAZIONE ISOBARA: se il gas si espande a P costante compie un lavoro , conoscendo il calore assorbito possiamo calcolare la variazione dell'energia interna
TRASFORMAZIONE ISOCORA: il volume non varia quindi il gas non può ne compiere, nè subire lavoro dall'esterno . Quindi in base al primo principio di ha
TRASFORMAZIONE ISOTERMA: la temperatura non varia e non varia neanche l'energia interna . In base al primo principio si ha . Il calore assorbito è uguale al lavoro compiuto
TRASFORMAZIONE ADIABATICA: essa regola il passaggio tra stati di equilibrio quando il sistema non scambia calore con l'esterno. in essa il sistema non può scambiare calore con l 'ambiente esterno, quindi si ha . in base al primo principio
TRASFORMAZIONE CICLICA: poichè lo stato iniziale A coincide con quello finale B, la funzione di stato U non cambia, di conseguenza la variazione dell'energia interna è nulla . Si ha dunque
espansione adiabatica:
compressione adiabatica:
una MACCHINA TERMICA trasforma calore in energia meccanica: tutte le macchine termiche assorbono calore (Q2) da una sorgente calda, trasformando una parte di questo calore in lavoro meccanico (L) e cedono all'ambiente una certa quantità di calore residuo inutilizzato (Q1). Una macchina termica non deve compiere una singola trasformazione ma un ciclo di trasformazioni
il rendimento di una macchina termica è dato dal rapporto tra il lavoro meccanico L prodotto dalla macchina e il calore Q2 assorbito dalla sorgente calda. Esso è sempre maggiore di 0 e minore di 1
Il ciclo di Carnot: Carnot studiò una macchina termica ideale, senza attriti o dispersioni di calore per conduzioni, funzionante con un gas perfetto e con un ciclo termico costituito da due trasformazioni isoterme e da due adiabatiche
Altre scoperte di Carnot:
- il rendimento delle macchine termiche non dipende dai gas o dalle sostanze impiegate ma dalla temperatura della sorgente calda T2 e dalla temperatura dell'ambiente T1 a cui la macchina cede il calore residuo
- tutte le macchine ideali hanno lo stesso rendimento
- tutte le macchine reali hanno un rendimento inferiore a quello della macchina ideale di Carnot
il frigorifero: 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. inoltre al posto del rendimento troviamo il coefficiente di prestazione
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: è un principio espresso da vari 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