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La termodinamica, l'entropia in un sistema isolato, ΔU = Q - L, L=pΔV,…
La termodinamica
Primo principio
La variazione di energia interna deveve essere uguale al calore assorbito (energia in ingresso) meno il lavoro compiuto (energia in uscita)
Definizione
La termodinamica è una scienza che studia gli scambi di energia tra sistema e ambiente, che avvengono per assorbimento o rilascio di calore e sotto forma di lavoro
macchina termica: è un dispositivo che sfrutta una trasformazione ciclica di un gas o di un altro fluido per convertire in modo continuativo il calore in lavoro
es: frigorifero (macchina termica che funziona al contrario)
Il lavoro di una macchina termica in ciclo è uguale alla differenza tra calore in entrata Q2 e in uscita Q1
Il rendimento di una macchina termica è il rapporto tra il lavoro compiuto L e il calore in entrata Q2; può essere espresso in funzione del calore in uscita |Q1| e di Q2
è impossibile costruire una macchina termica con rendimento η uguale a 1, cioè vale sempre la condizione
una macchina termica reversibile compie una trasformazione ciclica reversibile, che può essere percorsa nei due versi
Principio 0
se ciascuno di 2 corpi A e B è in equilibrio termico con un terzo corpo T, allora A e B sono in equilibrio termico tra di loro
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Lavoro termodinamico
Il lavoro termodinamico durante una trasformazione reversibile è uguale all'area sottesa dal grafico p-V della trasformazione; è positivo in un'espansione, negativo in una compressione, nullo in una trasformazione isocora.
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Grandezze termodinamiche:
- energia interna U
- temperatura T
- pressione p
- volume V
- entropia S
- entalpia H
- calore Q
- lavoro L
Entropia: misura del disordine presente in un sistema.
- L'entropia è una funzione di stato
- È una grandezza estensiva, ossia additiva: l'entropia totale di 2 sistemi o di un sistema unito al suo ambiente è la somma delle rispettive entropie
- Al livello microscopico, l'entropia dipende dal numero di modi in cui le particelle del sistema possono essere organizzate: più possibilità ci sono, maggiore è l'entropia.
- Durante il ciclo di Carnot il sistema assorbe e rilascia calore, con variazione complessiva dell'entropia che tende a 0
Secondo principio
enunciato di Kelvin: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia assorbire una determinata quantità di calore da una singola sorgente a temperatura uniforme e trasformarla integralmente in lavoro
enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo
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Ciclo di Carnot: è composto da 4 fasi consecutive:
- espansione isoterma AB
- espansione adiabatica BC
- compressione isoterma CD
- compressione adiabatica DA
Teorema di Carnot: il rendimento ηr di una macchina reversibile è maggiore o uguale al rendimento ηs di una macchina qualunque che lavora alle stesse temperature
Il rendimento di una macchina di Carnot: dipende solo dalle temperature assolute T1 e T2 della sorgente fredda e della sorgente calda; tutte le macchine termiche che lavorano tra le stesse temperature hanno rendimento minore, se reali, o uguale, se reversibili
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il coefficiente di prestazione di un frigorifero: è il rapporto tra il calore Q1 sottratto dalla macchina alla sorgente fredda e il lavoro |L| compiuto sulla macchina dall'esterno; quello di un frigorifero reversibile dipende solo dalle temperature assolute T1 e T2 della sorgente fredda e della sorgente calda e indica l'efficienza limite dei frigoriferi reali che lavorano alle stesse temperature
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il coefficiente di guadagno di una pompa di calore: è il rapporto tra il calore |Q2| ceduto dalla macchina alla sorgente calda e il lavoro |L| compiuto sulla macchina dall'esterno; quello di una pompa di calore reversibile dipende solo da T1 e T2 e indica l'efficienza limite delle pompe di calore reali che lavorano tra le stesse temperature
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Terzo principio della termodinamica (teorema di Nernst): afferma che è impossibile raffreddare un corpo fino allo zero assoluto mediante un numero finito di trasformazioni
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ΔU = Q - L
- La quantità di calore Q è positiva se assorbita dal
sistema, è negativa se è ceduta dal sistema (cioè
se passa dal sistema all'ambiente)
- Il lavoro L è positivo se il sistema compie lavoro, e negativo se viene compiuto lavoro sul sistema
- La variazione di energia interna ΔU può essere sia positiva che negativa, a seconda che Q sia maggiore o minore di L (prendendo L e Q con i segni appropriati)
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Q=0
il sistema non scambia calore con l'ambiente quindi la variazione di energia interna è opposta al lavoro
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- prima legge di Gay-Lussac
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- seconda legge di Gay-Lussac
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