LA TERMODINAMICA
SISTEMI TERMODINAMICI
Si definisce sistema lo spazio dell’indagine termodinamica, ambiente ciò che lo circonda.
la termodinamica studia le leggi con cui i sistemi scambiano (cedono e ricevono) energia con l'ambiente.
gli scambi avvengono sotto forma di calore e lavoro
i sistemi si dividono in
isolato, se non vi sono né scambi di materia né di energia
aperto, tra sistema e ambiente ci sono scambi di materia e energia
ogni volta che un sistema riceve o cede energia, esso passa da uno stato all'altro
l'energia interna è una funzione di stato: a ogni stato del sistema corrisponde uno e un solo valore dell'energia interna
sistema riceve calore o subisce lavoro da esterno= energia interna aumenta;
sistema cede calore o compie lavoro= energia interna diminuisce
TRASFORMAZIONI DEI GAS
MACCHINE TERMICHE
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
vale per tutti i sistemi termodinamici
è un'estensione del principio di conservazione dell'energia
espresso dalla relazione DU=Q-L
Macchina di Carnot
due modi per esprimerlo
afferma che
La macchina di Carnot è un cilindro chiuso da un pistone riempito di gas perfetto
Il rendimento della Macchina di Carnot viene indicato con la formula
ISOTERME: temperatura costante
enunciato di Lord kelvin
enunciato di Clausius
ADIABATICHE:
senza scambio di calore (Q=0J)
CICLICHE: riportano il sistema allo stato iniziale
ISOCORE: volume costante
ISOBARE: pressione costante
le trasformazioni termodinamiche hanno un verso privilegiato
- il lavoro può trasformarsi in calore ma, in base all'enunciato di Lord Kelvin, il calore non può trasformarsi integralmente in lavoro;
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bilancio energetico
preleva calore da una sorgente calda e ne trasforma parte in lavoro
agisce in modo continuativo
Q= calore scambiatro fra il sistema e l'esterno
dispositivo che sfrutta le trasformazioni dei gas
L= lavoro prodotto dal sistema
DV= variazione dell'energia interna
L è positivo se il lavoro è fatto dal sistema sull'esterno
L è negativo se il lavoro è fatto dall'esterno sul sistema
Q è positivo se il calore è assorbito dal sistema
rendimento
Q è negativo se il calore è ceduto dal sistema
trasformazioni cicliche
calore assorbito =
lavoro compiuto
lavoro compiuto
=
area della parte del piano p-V racchiusa dalla linea che rappresenta la trasformazione
Normale applicazione del primo principio della termodinamica
Il pistone è fisso quindi W=0J
- T1 = temperatura sorgente fredda
- il calore fluisce da un corpo caldo ad uno più freddo ma, in base all'enunciato di Clausius, non può fare spontaneamente il percorso inverso.
discendono l'uno dall'altro e quindi sono equivalenti
- T2 = temperatura sorgente calda
- Q1 = calore negativo scambiato
- Q2 = calore positivo scambiato
- W = lavoro compiuto
Se T1 e T2 sono costanti
rapporto tra lavoro eseguito e calore assorbito durante il ciclo
r = L/Q
W = Q2 + Q1 = Q2 - I Q1 I
chiuso, se non vi è scambio di materia
sempre minore di 1
ΔU è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura
La variazione di temperatura è nulla, quindi ΔU=0
ΔU=-W
L'energia interna del sistema è opposta al lavoro da esso compiuto
Espansione adiabatica: raffreddamento
Si divide in 4 fasi
Compressione adiabatica: riscaldamento
Espansione Adiabatica
Compressione Isoterma
ΔU= Q
Espansione Isoterma
Compressione Adiabatica
Il cilindro è in contatto con la sorgente a temperatura T2
Per fare espandere il gas si riduce il carico sul pistone
L'energia interna U riprende il suo valore iniziale, quindi ΔU= 0J
Per far continuare l'espansione si riduce progressivamente il carico
In questo caso il cilindro è isolato e non scambia calore con l'ambiente
Il cilindro entra in contatto con la sorgente a temperatura T1
Il gas viene compresso aumentando il peso sul pistone
Il cilindro è nuovamente isolato
Viene aggiunto lentamente il peso per comprimere il gas e riportare la pressione, il volume e la temperatura ai valori iniziali
η = 1-T1/T2
In ogni ciclo il calore assorbito è uguale al lavoro compiuto : Q=W
TERMOLOGIA
IL MOTO DI AGITAZIONE TERMICA
Gli esperimenti mostrano che tutte le molecole sono animate da un moto rapido e incessante
stato liquido: si muovono "scorrendo" le une sulle altre
stato solido: oscillano attorno a un punto di equilibrio
stato gassoso: movimento libero e rapido
L'ENERGIA INTERNA
si chiama energia interna di un sistema fisico la somma della sua energia potenziale e dell'energia cinetica complessiva delle molecole che lo compongono
Parte della fisica che studia i fenomeni relativi alla generazione e alla propagazione del calore
ΔU=Q-W
Q=W
le molecole diventano cosi veloci da sfuggire alla massa
a basse temperature il moto di agitazione è poco intenso, per cui le forze attrattive intermolecolari tengono unito il solido