3. Energia, Primo principio della Termodinamica Flashcards
ENERGIA
Capacità di un corpo o più in generale di un sistema fisico di compiere un lavoro.
Forme di Energia
Energia Termica, Energia Cinetica, Energia Potenziale, Energia Elettrica, Energetica Magnetica, Energia Chimica, Nucleare
Unità e specifica
KJ/KG
Energie Macroscopiche
Quelle possedute dal sistema
nel suo complesso rispetto a
un sistema di riferimento
esterno. –> Dipendenti dal sistema di riferimento
Energia Cinetica, Energia Potenziale
Energia Microscopiche
Quelle legate alla struttura
molecolare del sistema e al
grado di attività molecolare.
–> Indipendenti dal sistema di riferimento
Energia Interna - U
Energia Cinetica
Forma di energia (normalmente) macroscopica che un sistema possiede per effetto del suo moto.
Ecin = m * ( w^2 / 2 ) = Joules
ecin = (w^2/2) = KJ/Kg
Energia Potenziale
Forma di energia macroscopica che un sistema possiede per effetto della sua quota in un campo gravitazionale
𝑬𝒑𝒐𝒕 = 𝒎𝒈z
g= accelerazione di gravita= 9,8 m/s^2
Energia totale di un sistema
𝑬 = 𝑼 + 𝑬𝒄𝒊𝒏 + 𝑬𝒑𝒐𝒕
Trascurando, come detto, gli effetti delle altre forme di energia, in termodinamica, l’energia totale di un sistema viene espressa come:
𝑬 = 𝑼 + 𝒎*𝒘𝟐/𝟐+ 𝒎𝒈𝒛 = 𝒌𝑱
Sistema in REGIME STAZIONARIO
Durante una trasformazione termodinamica, la maggior parte dei sistemi chiusi non subisce variazioni di energia cinetica o potenziale
La loro velocità e la quota del loro centro di massa rimangono invariate durante la trasformazione termodinamica.
La variazione di energia totale di un sistema in regime stazionario coincide con la variazione della sua energia interna.
Sistema chiuso
Quando ci troviamo a lavorare con un sistema chiuso, stiamo parlando di una quantità invariabile di massa (m=cost).
Il sistema CHIUSO viene indicato come
MASSA DI CONTROLLO
Sistema aperto
Quando ci troviamo a lavorare con un sistema aperto, stiamo parlando di una quantità variabile di massa, ma di un volume costante (V=cost).
Il sistema APERTO viene indicato come
VOLUME DI CONTROLLO
Porzione di spazio in cui sia la massa che
l’energia passano attraverso il confine del
volume
Portata Massica
I volumi di controllo implicano flusso di fluido in lunghi intervalli di tempo.
Si introduce, quindi, il concetto di: Portata massica
Quantità di massa che fluisce attraverso una sezione trasversale nell’unità di tempo:
𝒎° = 𝝆𝑽° = 𝝆𝑨𝒘𝒎𝒆𝒅 = 𝒌𝒈/s
POTENZA ASSOCIATA ALLA PORTATA MASSICA:
E°=m°*e = kW
Energia Meccanica
Forma di energia che può essere convertita completamente e direttamente in lavoro meccanico da un dispositivo meccanico ideale quale una turbina ideale.
ATTENZIONE!
La pressione non è una forma di energia!
Tuttavia, una forza di pressione che agisce su un fluido determinandone un certo spostamento, compie lavoro detto lavoro di flusso, nella quantità 𝒑/𝝆 (riferita all’unità di massa).
Lavoro di flusso
È possibile esprimere il lavoro di flusso in termini di proprietà del fluido, venendo quindi considerato come parte dell’energia in un fluido in moto e prendendo il nome di energia di flusso:
e𝒇𝒍𝒖𝒔𝒔𝒐 = 𝒑/𝝆
Perciò, l’energia meccanica specifica di un fluido in moto riferita all’unità di massa può essere espressa come:
𝒆𝒎𝒆𝒄𝒄 =𝒑/𝝆+𝒘^𝟐/𝟐+ 𝒈*z
Variazione energia meccanica specifica per un fluido durante un flusso incomprimibile
Tutti i liquidi sono incomprimibili (𝝆=cost ) dunque:
Variazione 𝒆𝒎𝒆𝒄𝒄 =((𝒑2-p1)/𝝆)+(𝒘2^𝟐+𝒘1^𝟐)/𝟐+ 𝒈*(z2-z1)
Perciò, se 𝒑, 𝝆, 𝒘 e 𝒛 di un fluido non cambiano durante il suo moto, la sua energia meccanica non varia
Sotto che forma l’energia è capace di attraversare il contorno di un sistema chiuso?
Calore e Lavoro
Calore - Q
Forma di energia che si trasmette (tra due sistemi o tra un sistema e l’ambiente) sotto forma di scambio di energia termica per effetto di una differenza di temperatura.
In termini di potenza termica:
Integrale fra t1 t2
Lavoro - L
Forma di energia che si trasmette (tra due sistemi o tra un sistema e l’ambiente) sotto forma di energia meccanica per effetto dell’azione di una forza (pressione) che attua su di esso con risultante diversa da zero.
Il lavoro totale è ottenuto seguendo la specifica linea di trasformazione:
Integrale fra stato 1 e 2 della funzione dei fluidi (v,p).
Area in diagramma di Clepeyron.
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA O PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
INTRO
Il principio è nato dalla necessità di studiare la macchina termica ideale* che funziona:
* assorbendo calore Q dall’ambiente;
* eseguendo lavoro L sull’ambiente stesso
**PRIME HP: **
In un sistema chiuso a volume costante (non può eseguire lavoro, L=0), fornendo calore al sistema, la sua energia interna aumenta.
Ef=Ei+Q
Un sistema chiuso isolato (non scambia calore, Q=0) che esegue lavoro sull’ambiente esterno, registra una diminuzione della sua energia interna.
Ef=Ei-L
ESPERIENZA DI JOULES:
Costatazione
Consideriamo un sistema termodinamico che percorre un ciclo chiuso di trasformazioni dove scambia calore e compie lavoro.
Si constata che se dopo un ciclo chiuso, il bilancio del calore scambiato é positivo, anche il bilancio di lavoro compiuto è positivo…
Questo ci fa pensare che c’è un legame tra lavoro e scambio di calore.
Esperienza n cicli chiusi
Q1/L1= A1
Q2/L2=A2
…
Qn/Ln=An
A1=A2=An → Questa esperienza testimonia il legame tra L e Q. Diverse forme di una stessa entità che si trasformano, l’energia.
Q-AL=0
Esperienza trasformazione aperta da H a K seguendo diversi percorsi
Q-AL ≠ 0 ma 𝑸𝑯𝑲 − 𝑨𝑳𝑯𝑲 = ∆𝑼
∆𝑼 dipende solo dallo stato finale e dallo stato iniziale, e dunque è una grandezza di stato chiamata Energia Interna.
𝑸𝑯𝑲 − 𝑨𝑳𝑯𝑲 = 𝑼𝑲 − 𝑼𝑯 → FORMULAZIONE ANALITICA del I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA - ENUNCIATO CHE DIMOSTRA IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
- fornendo calore al sistema o eseguendo lavoro su di esso, aumenta la sua energia interna;
- se il sistema esegue lavoro o cede calore, la sua energia interna diminuisce.
𝑸𝑯𝑲 − 𝑳𝑯𝑲 = 𝒖𝑲 − 𝒖𝑯 → FORMULAZIONE ANALITICA del I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
- fornendo calore al sistema o eseguendo lavoro su di esso, aumenta la sua energia interna;
- se il sistema esegue lavoro o cede calore, la sua energia interna diminuisce.
Vediamo che la differenza tra calore netto e lavoro netto nel passaggio tra due stati prefissati è uguale alla variazione di energia interna e dipende SOLO dalla variazione di stato iniziale e finale e NON dalla trasformazione.
Il primo principio vale sia per trasformazioni reali che ideali.
Sono il lavoro e il calore grandezze di stato?
No, come invece ∆𝑼 che dipende dallo stato iniziale e finale.
➢ Q ed L esistono solo durante la trasformazione poiché Q ed L vengono scambiati attraverso la superficie limite del sistema, non sono contenuti nel sistema.
Trasformazione REVERSIBILE
Una trasformazione si dice reversibile se si può eseguire una trasformazione che riporti il sistema allo stato iniziale passando per la stessa successione di stati intermedi semplicemente invertendo il segno di calore e lavoro scambiati. Un esempio di trasformazione reversibile è il passaggio di stato. Una trasformazione quasi statica e senza effetti dissipativi è reversibile.
Trasformazione
IRREVERSIBILE
Una trasformazione si dice irreversibile se non è possibile tornare allo stato iniziale invertendo il segno del calore e del lavoro.
In un sistema stazionario, in assenza di scambio di lavoro (𝐿 = 0)…
𝑸𝑯𝑲 = ∆U
