Chapter 1 - Termodinamica

Question 1

Termodinamica

Answer 1

Studia le leggi con cui i sistemi scambiano energia con l’ambiente

Question 2

Situazione ideale per studiare gli scambi di calore

Answer 2

Cilindri chiuso con pistone mobile contenente gas perfetto su un fornello
Se il fornello è acceso il sistema riceve calore
Se comprimo il pistone il sistema riceve energia come lavoro

Question 3

Fluido omogeneo

Answer 3

Qualunque corpo il cui comportamento è regolato da un’equazione di stato

Question 4

Energia interna

Answer 4

U = K + E(pot)
L’energia interna è data dalla somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale di tutte le molecole
Dipende solo dallo stato in cui si trova un sistema fisico e non dalla sua storia passata

Question 5

Energia potenziale

Answer 5

Lavoro compiuto dalle forze di attrazione molecolare quando si disgrega un sistema
È l’energia che mi serve per disgregare due molecole

Question 6

Funzioni di stato

Answer 6

Grandezze che dipendono solo dalle variabili termodinamiche che servono per descrivere lo stato di un sistema fisico

Question 7

Grandezza estensiva

Answer 7

Grandezza il cui valore dipende dalla massa del sistema fisico o dal numero di particelle che contiene

Question 8

Grandezza intensiva

Answer 8

Grandezza il cui valore non dipende direttamente dall’estensione del sistema

Question 9

Principio zero della termodinamica

Answer 9

Se il corpo A è in equilibrio termico col corpo C, e anche un altro corpo B è in equilibrio termico col corpo C, allora A e B sono in equilibrio termico tra loro

Question 10

Equilibrio termodinamico

Answer 10

Composto da

1) equilibrio meccanico: non ci sono forze non equilibrate né all’interno né all’esterno del sistema
2) eq. Termico: la temperatura deve essere uniforme in tutto il fluido
3) eq. Chimico: la struttura interna e la composizione chimica di un sistema devono rimanere inalterate

Question 11

Dimostrazione del principio zero della termodinamica

Answer 11

Metto un termometro (C) sulla parete a XS(A) e aspetto c’è raggiungano l’eq. Termico: il termometro di da la temperatura fusa e della parete di SX
Metto poi il termometro sulla parete a DX (B): se C e B sono in eq termico,B ha la stessa temperatura di C, e per il principio zero, anche di A
Quindi A e B sono in eq termico tra loro

Question 12

Trasformazioni reali

Answer 12

Consideriamo un sistema termodinamico al l’equilibrio A, modifichiamolo e aspettiamo che arrivi all’equilibrio B. Durante il passaggio di stato dà A a B si creano vortici e correnti, e quindi la pressione è diversa in varie zone del sistema, così come anche la temperatura: le correnti infatti portano calore.
La trasformazione reale ha un grafico a fuso, dove solo lo stato A e quello B sono punti ben definiti.

Question 13

Trasformazioni quasistatiche

Answer 13

Procedimento ideale in cui la trasformazione è ottenuta passando per un numero enorme di Stati di equilibrio intermedio che differiscono di pochissimo l’uno dall’altro
Nel piano p-v con una linea continua
Avvengono a velocità molto basse e hanno bisogno di tantissimo tempo per completarsi
Ce ne sono 5 tipi

Question 14

Trasformazioni quasistatiche isobare

Answer 14

Segmento parallelo all’asse x, la pressione non cambia

Formula: W=f•h > f=p•s > w= Psh > w= pΔV (ΔV= sh aumento del volume del gas)

Question 15

Trasformazione isocora

Answer 15

Nel piano è un segmento parallelo all’asse y

A volume costante

Question 16

Trasformazione isoterma

Answer 16

Nel piano è un arco di iperbole

Avviene a temperatura costante

Question 17

Trasformazione adiabatica

Answer 17

Avviene senza scambio di calore tra il sistema e l’ambiente esterno

Question 18

Trasformazione ciclica

Answer 18

Ha lo stato iniziale che coincide con quello finale
Nel piano è rappresentata da una linea chiusa
Gas compresso > w negativo
Gas in espansione > w positivo
Se W è negativo l’ambiente esterno esercita un lavoro positivo sul sistema
Ha due fasi
1) espansione w positivo
2) compressione w negativo
W(tot)= area della parte di piano racchiusa dalla linea del grafico p-v

Question 19

Primo principio della termodinamica

Answer 19

ΔU = Q - W espressione della conservazione dell’energia
La variazione di energia interna è data dal calore assorbito Q meno il lavoro compiuto W
Il sistema passando dallo stato A allo stato B ha acquisito calore Q e veduto lavoro W, subendo una variazione di energia interna

Question 20

Applicazioni del primo principio della termodinamica

Answer 20

Tr. isocore: V è costante e quindi ΔU = Q
Tr. isobare: p costante; Q assorbito serve in parte per aumentare la temperatura del sistema in parte per compiere il lavoro ΔU+pΔV=Q
Tr. cicliche: il calore totale assorbito è uguale lavoro totale compiuto Q=W
Tr. adiabatiche: il gas compie un ambito postivi e la sua energia interna diminuisce. Quindi il gas si raffredda e il grafico è più pendente di quello dell’isoterma ΔU = -W

Question 21

Primo enunciato del secondo principio della termodinamica

Answer 21

Lord Kelvin
È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di calore da un’unica sorgente e trasformarlo integralmente un lavoro

Question 22

Secondo enunciato del secondo principio della termodinamica

Answer 22

Clausius
È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo più freddi ad uno più caldo

Question 23

Funzionamento macchina termica

Answer 23

Scaldiamo il gas grazie ad una sorgente di calore: il gas si dilata e spinge in alto lo stantuffo compiendo un lavoro
Così però il non serve più a nulla: per poterla usare dobbiamo portare lo stantuffo al punto di partenza

Question 24

Macchina termica

Answer 24

Dispositivo che realizza una serie di trasformazioni cicliche
Es. macchina a vapore: l’acqua del serbatoio viene trasformata in vapore grazie alla sorgente calda; il vapore sotto pressione spinge i pistoni che azionano le ruote; il vapore poi torna acqua nel condensatore raffreddato dalla sorgente fredda, così si può riutilizzare

Question 25

Sorgente ideale di calore

Answer 25

Un sistema fisico capace di mantenere una temperatura fissata qualunque sia la quantità di calore che esso cede o acquista
In pratica un dispositivo del genere non esiste

Question 26

Bilancio energetico di una macchina termica

Answer 26

Per creare una macchina termica ci vogliono due sorgenti di calore T2>T1, due quantità di calore Q2 e Q1 è un lavoro W
Q=W diventa W = Q2 - |Q1|

Question 27

Rendimento di una macchina termica

Answer 27

Rendimento e l’efficienza con cui la macchina e capace di convertire il calore in lavoro
Il rendimento di una macchina è dato dal rapporto fra il lavoro prodotto dalla macchina in un ciclo e la quantità di calore Q2 che in un ciclo la macchina preleva dalla sorgente calda
η= W/Q2 (macchina ad una sorgente)
η=1-|Q1|/ Q2

Question 28

Terzo enunciato del secondo principio

Answer 28

È impossibile costruire una macchina termica con rendimento η=1
Il rendimento è sempre 0

Question 29

Trasformazione reversibile e irreversibile

Answer 29

Reversibile: per cui è possibile che sia l’ambiente sua il sistema fisico possano tornare allo stato iniziale andando a ritroso
3 condizioni per cui avviene
1)deve esserci una trasformazione quasistatica: perché partendo da B si può tornare ad A ripetendo all’universo gli infiniti stati di equilibrio operandi tutti gli scambi di calore col verso opposto e all’inverso
2)no attriti: perché al ritroso dovrei avere una forza aggiuntiva per superare l’attrito. A causa di ciò -ΔQ non basterebbe per riportare il sistema a A
3) il sistema deve scambiare calore solo con sorgenti ideali

Question 30

Macchina termica reversibile

Answer 30

Dispositivo che compie una trasformazione ciclica reversibile. Se tale trasformazione è composta da più fasi, ognuna di esse delle essere reversibile

Question 31

Enunciato del teorema di carnot

Answer 31

Considerando due macchina termiche, R reversibile e S qualunque, c’è operano alla stessa temperatura, il rendimento ηR della macchina R è sempre maggiore o uguale del rendimento ηS dell’altra macchina e i due rendimenti sono uguali soltanto se anche la macchina S è reversibile

Question 32

Ciclo di carnot

Answer 32

È costituito da 4 fasi

1) espansione isoterma: il gas si espande perché diminuisci la pressione sul pistone togliendo un po’ di sabbia. La sorgente a temperatura T2 mantiene costante la temperatura del gas
2) espansione adiabatica: aspiro della sabbia, l’espansione continua ma il pistone è isolato non scambia calore col l’ambiente. La temperatura diminuisce fino al valore T
3) compressione isoterma: rimetto della sabbia, aumentando la pressione, e comprimo il gas. Il cilindro si trova in acqua scelta per l’alto calore specifico la temperatura è uguale
4) compressione adiabatica: isolo di nuovo il cilindro, metto altra sabbia, aumentando la pressione: la compressione continua fino a far tornare il sistema in A, la temperatura torna a T2

Question 33

Rendimento macchina di carnot

Answer 33

η= 1-T1/T2

Question 34

Motore ideale e trasformazione ciclica

Answer 34

1) aspirazione: gas si espande alla pressione atmosferica, p è costante, il volume aumenta
2) compressione: gas compresso adiabaticamente, senza scambi di calore; p e T aumentano
3) scoppio: T e p aumentando a volume costante
4) espansione adiabatica: il volume aumenta e la temperatura diminuisce
5) scarico: fase 1-p e T diminuiscono con v costante fase2-v diminuisce a p costante

Question 35

Il frigorifero

Answer 35

Compie un W negativo (0 dalla zona a temperatura minore cioè l’interno del frigo e la la trasferisce ad una zona a temperatura maggiore, cioè l’esterno del frigo Q2= Q1+W

Question 36

Funzionamento di un frigo

Answer 36

Fatto da un ambiente chiuso e da una serpentina con dentro del vapore, collegata al compressore che passa dentro la macchina
Il compressore all’esterno del frigo comprime il vapore fino a farlo condensare così aumenta la temperatura del fluido
La serpentina esterna fa cedere calore dal fluido all’ambiente
Il liquido torna vapore espandendosi all’interno del frigo e assorbe energia dal frigo che si raffredda
La serpentina interna fa passare calore dall’interno del frigo al fluido
Il vapore torna fuori è di nuovo compresso e parte un nuovo ciclo