Fisica tecnica: introduzione e concetti fondamentali
Settore: ING-IND/10 Fisica Tecnica
Università: Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
Autore degli appunti: Filippo Ribes
Gli appunti sono stati scritti sulla base delle lezioni svolte dal Professor Alessandro Mauro Corticelli e delle sue dispense.
Introduzione
Sistema termodinamico (ST): Sistema in cui i processi di scambio termico e/o di massa/energia svolgono un ruolo determinante per il funzionamento del sistema stesso. Tutti i sistemi nei quali si producono calore possono essere considerati, tuttavia, non tutti i sistemi si possono definire ST.
Stati di equilibrio
- Equilibrio termico: temperatura uniforme entro il sistema;
- Equilibrio meccanico: pressione invariata nel tempo in ogni punto del sistema;
- Equilibrio di fase: massa invariata nel tempo in ogni fase;
- Equilibrio chimico: composizione chimica invariata nel tempo;
- Equilibrio elettrico: potenziale elettrico uniforme e invariato nel tempo.
Processi
- Sono una qualsiasi modificazione dello stato del sistema.
- Processo di quasi equilibrio: processo lungo il quale gli stati sono sempre infinitamente prossimi a condizioni di equilibrio;
- Processo ciclico: processo per il quale lo stato iniziale e finale coincidono.
Sistema internazionale (SI)
| Grandezza | Unità di misura | Multipli | Prefissi |
|---|---|---|---|
| Lunghezza | metro (m) | 1012 | tera (T) |
| Massa | chilogramma (kg) | 109 | giga (G) |
| Tempo | secondi (s) | 106 | mega (M) |
| Temperatura | Kelvin (K) | 103 | kilo (k) |
| Intensità di corrente elettrica | Ampere (A) | 102 | etto (h) |
| Intensità luminosa | candela (cd) | 10-1 | deci (d) |
| Quantità di materia | mole (mol) | 10-2 | centi (c) |
| 10-3 | milli (m) | ||
| 10-6 | micro (µ) | ||
| 10-9 | nano (n) | ||
| 10-12 | pico (p) |
Alcune formule
Densità: ρ = V volume specifico: ν = 1/ρ
Peso specifico: σ = mg/V [N/m3]
Massa associata ad un volume V: m = ∫ ρ dV
Volume molare: V¯ = V/m
Pressione nel punto specifico: p = limA → A(punto) (Fn/A)
Principio zero della termodinamica
Se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo, allora essi sono anche in equilibrio termico tra loro. Se il terzo corpo è un termometro, i due corpi sono in equilibrio termico se entrambi hanno la stessa temperatura, anche se non si trovano a contatto.
Scale di temperatura
- Celsius (°C)
- Kelvin (K)
- Fahrenheit (°F)
- Rankine (°RY)
La temperatura di riferimento per la scala Kelvin è il punto triplo dell'acqua (5.76 °C al quale le tre fasi, solido, liquido, vapore, dell'acqua coesistono all'equilibrio) cui si assegna il valore di 273,16 K.
Energia e 1° principio della termodinamica
Energia
Possiamo avere energia termica, meccanica, cinetica, etc. La somma di tutti questi contributi costituisce l'energia totale E del sistema. La termodinamica si occupa solo delle variazioni di tale energia.
- Forme macroscopiche di energia: forme di energia che il sistema possiede come insieme, con riferimento ad un sistema esterno.
- Forme microscopiche di energia: forme connesse alla struttura molecolare della materia costituente il sistema ed il grado di attività molecolare.
- Energia interna U: somma di tutte le forme microscopiche di energia.
Si hanno poi: 1 J = 1 N·m = 1 kg·m²·s⁻² (Joule)
Energia [E] = [M L² T⁻²]
Energia meccanica, cinetica, potenziale e lavoro
- Energia meccanica: forma di energia che può essere convertita completamente e direttamente in lavoro meccanico.
- Energia cinetica: Ec = 1/2 m v².
- Energia potenziale: Ep = m g z.
- Lavoro: S L = ∫ F·ds = ∫ F ds.
Interazione tipo lavoro
Si ha interazione tipo lavoro quando l'unico effetto esterno dell'interazione può essere ricondotto alla variazione di energia potenziale di un genere in un campo gravitazionale uniforme (es. moto di un pistone).
Esempio: Nel sistema A, del gas è messo in moto grazie ad una differenza di potenziale. La pala compie lavoro sul gas. Considero il sistema B, il contorno, non vi è scambio diretto tra agente compressore e sistema B. È presente una differenza di potenziale tra molecole e M → questo tipo di interazione può essere considerato.
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