Chapter 1 - Termodinamica Flashcards
Termodinamica
Studia le leggi con cui i sistemi scambiano energia con l’ambiente
Situazione ideale per studiare gli scambi di calore
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
Fluido omogeneo
Qualunque corpo il cui comportamento è regolato da un’equazione di stato
Energia interna
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
Energia potenziale
Lavoro compiuto dalle forze di attrazione molecolare quando si disgrega un sistema
È l’energia che mi serve per disgregare due molecole
Funzioni di stato
Grandezze che dipendono solo dalle variabili termodinamiche che servono per descrivere lo stato di un sistema fisico
Grandezza estensiva
Grandezza il cui valore dipende dalla massa del sistema fisico o dal numero di particelle che contiene
Grandezza intensiva
Grandezza il cui valore non dipende direttamente dall’estensione del sistema
Principio zero della termodinamica
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
Equilibrio termodinamico
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
Dimostrazione del principio zero della termodinamica
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
Trasformazioni reali
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.
Trasformazioni quasistatiche
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
Trasformazioni quasistatiche isobare
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)
Trasformazione isocora
Nel piano è un segmento parallelo all’asse y
A volume costante
Trasformazione isoterma
Nel piano è un arco di iperbole
Avviene a temperatura costante
Trasformazione adiabatica
Avviene senza scambio di calore tra il sistema e l’ambiente esterno
Trasformazione ciclica
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
Primo principio della termodinamica
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
Applicazioni del primo principio della termodinamica
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
Primo enunciato del secondo principio della termodinamica
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
Secondo enunciato del secondo principio della termodinamica
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
Funzionamento macchina termica
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
Macchina termica
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
Sorgente ideale di calore
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
Bilancio energetico di una macchina termica
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|
Rendimento di una macchina termica
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
Terzo enunciato del secondo principio
È impossibile costruire una macchina termica con rendimento η=1
Il rendimento è sempre 0
Trasformazione reversibile e irreversibile
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
Macchina termica reversibile
Dispositivo che compie una trasformazione ciclica reversibile. Se tale trasformazione è composta da più fasi, ognuna di esse delle essere reversibile
Enunciato del teorema di carnot
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
Ciclo di carnot
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
Rendimento macchina di carnot
η= 1-T1/T2
Motore ideale e trasformazione ciclica
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
Il frigorifero
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
Funzionamento di un frigo
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
