Riassunto esame Fisica tecnica, Prof. Mistretta Marina, libro consigliato Fisica tecnica ambientale, Yunus A. Cengel, Giuliano dall'o, Luca Sarto

Fisica tecnica

Fisica tecnica: studia degli scambi di energia e di materia tra sistemi e l’ambiente circostante.

Termodinamica: studia le trasformazioni di un sistema a seguito di scambi di energia, calore o lavoro, con altri sistemi o con l’ambiente esterno.

Sistema termodinamico, ambiente e confine

Sistema termodinamico: è una porzione di spazio o di materia separata dal resto dell’ambiente circostante attraverso una superficie di contorno, confine, attraverso cui interagisce con l’esterno o con altri sistemi attraverso gli scambi di energia e/o di massa.

L’ambiente: è la regione al di fuori del sistema.

Superficie di contorno o di confine: è la superficie reale o immaginaria che separa il sistema dall’ambiente, attraverso cui interagisce con l’esterno o con altri sistemi attraverso gli scambi di energia e/o di massa.

Il contorno può essere fisso o mobile; è la superficie di contatto condivisa dal sistema e dall’ambiente.

In termini matematici ha spessore nullo e pertanto non può né contenere massa né occupare volume.

Confine mobile: consente scambi energetici sotto forma di lavoro e di variazione di volume.

Confine fisso o rigido: non consente scambi energetici sotto forma di lavoro e di variazione di volume.

Confine adiabatico: non consente scambi di calore tra il sistema e l’ambiente.

Vincoli di un sistema

• Chiuso – aperto.
• A pareti rigide e fisse - a pareti mobili.
• Adiabatico – diatermano.
• Isolato - non isolato.

Sistemi chiusi, aperti e isolati

Sistema chiuso o massa di controllo: sistema in cui non si hanno flussi di massa attraverso la sua superficie di contorno; tale sistema è caratterizzato da massa costante.

L’energia può attraversare il suo contorno sotto forma di calore o di lavoro.

È costituito da una determinata quantità di materia ed è caratterizzato dal fatto che il suo contorno non permette il passaggio di materia.

Esempio dispositivo cilindro pistone.

Sistema aperto o volume di controllo: sistema in cui attraverso la sua superficie di contorno avvengono flussi di massa in entrata e/o in uscita: definito sistema a massa variabile.

Anche l’energia può attraversare il contorno di un volume di controllo.

Poiché la massa è variabile è necessario stabilire convenzionalmente un volume di controllo che lo delimiti tale volume compreso dalle sezioni d’ingresso e di uscita. V.C - -> > sistema aperto con un ingresso e un’uscita.

Esempio:

• Scaldabagno che prevede una sezione di ingresso e una di uscita dell’acqua, subisce variazione di massa ed è un sistema aperto.
• Edificio è un sistema aperto che scambia con l’ambiente massa, massa d’aria, ed energia, energia termica: calore.

Sistema isolato: se tra ambiente e sistema non avvengono scambi di energia e di materia.

Per il primo principio della termodinamica, l’energia interna (U) di un sistema isolato rimane costante.

Sistema non isolato:

Proprietà termodinamiche

Proprietà termodinamiche: le proprietà estensive riferite all’unità di massa vengono chiamate proprietà specifiche.

Se si divide una proprietà estensiva per la massa considerata essa non gode più della proprietà additiva e soddisfa la definizione di proprietà intensiva.

Massa e volume sono proprietà estensive e ad esse è possibile applicare la proprietà additiva.

La temperatura è una proprietà intensiva e resta costante al variare della massa del sistema totale.

Volume specifico, energia specifica, energia interna specifica.

Proprietà esterne: dipendono dal moto del sistema o dalla sua posizione in campo di forze e vengono misurate rispetto a un sistema di riferimento esterno al sistema.

➔ Velocità, energia cinetica e potenziale.

Proprietà interne: proprietà che sono suscettibili di misura all’interno dei confini del sistema.

➔ Pressione, temperatura, volume specifico, energia interna.

Densità, volume specifico e peso specifico

Densità: per definizione “massa riferita all’unità di volume”.

m kg ρ= ( )³ V m.

La densità di una sostanza dipende dalla temperatura e dalla pressione.

Per i gas la densità è direttamente proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura.

Per i liquidi e i solidi la densità rimane costante al variare della pressione, variazione trascurabile.

Quindi liquidi e solidi sono incomprimibili.

Volume specifico: è il reciproco della densità; per definizione “volume riferito all’unità di massa”.

1 = = Peso specifico: peso di un volume unitario di una sostanza.

× = = = × = × ( )³.

Stato di equilibrio e stato termodinamico

Stato di equilibrio di un sistema: quando un sistema non è soggetto a nessun cambiamento, esso rimane nella sua iniziale condizione di equilibrio e le sue proprietà non sono variate.

Quindi le sue proprietà possono essere calcolate ovunque al suo interno, per ottenere un insieme di proprietà per descrivere completamente la condizione o lo stato del sistema stesso, stato di equilibrio.

• Un sistema in uno stato di equilibrio non è soggetto ad alcun cambiamento quando è un sistema isolato dal suo ambiente.

Stato termodinamico: si dice che un sistema è in equilibrio termodinamico se mantiene l’equilibrio termico, meccanico, chimico e di fase.

• Equilibrio termico: se la temperatura è la stessa in ogni punto del sistema.
• Equilibrio meccanico: se in nessun punto vi sono variazioni di pressione nel tempo.
• L’equilibrio chimico: se la sua composizione chimica non varia nel tempo, cioè non si verificano reazioni chimiche.
• Equilibrio di fase: quando la massa di ciascuna fase raggiunge uno stato di equilibrio e vi permane.

Quando un sistema passa da uno stato di equilibrio a un altro si dice che esso subisce una trasformazione, o processo, = passaggio da uno stato di equilibrio ad un altro.

Ciò avviene se esiste qualche interazione di tipo energetico tra ambiente e sistema.

Questo significa che il sistema ha scambiato/ceduto/assorbito energia per cui cambia il contenuto energetico al suo interno.

Percorso o linea della trasformazione: la serie di stati attraverso cui un sistema passa durante una trasformazione.

Per descrivere un processo completamente, si devono conoscere gli stati iniziali e finali, il percorso e le interazioni con l’ambiente.

Tipi di trasformazione

Si distinguono tre tipi di trasformazione:

Trasformazione isoterma = in cui rimane costante la temperatura. Il prefisso -iso indica una trasformazione.

Trasformazione isobara = in cui rimane costante la pressione, in cui una certa proprietà rimane costante.

Trasformazione isocora = in cui rimane costante in volume.

Le trasformazioni si possono descrivere attraverso i diagrammi di stato le cui coordinate sono le proprietà termodinamiche: volume V, pressione P.

Lavoro termodinamico

Lavoro: energia trasferita quando c’è una forza che determina uno spostamento L=Fs.

Lavoro termodinamico: lavoro compiuto da un fluido quando subisce una trasformazione di espansione, lavoro positivo, o di compressione, lavoro negativo.

Se consideriamo un gas racchiuso all’interno di un recipiente dotato di pistone; se scaldiamo il sistema, vi sarà un aumento del volume del sistema, e un conseguente innalzamento del pistone.

In questo caso, il sistema sta compiendo un lavoro positivo.

Se, invece, comprimiamo il pistone, facendo diminuire il volume del gas, allora il lavoro sarà negativo.

In generale, possiamo esprimere il valore del lavoro che viene compiuto come prodotto della pressione del gas per la variazione di volume che esso subisce: L = p ∆V.

Quindi, il lavoro risulta positivo se la trasformazione comporta un aumento di volume, espansione, negativo in caso contrario, compressione.

In un diagramma p-V il lavoro di espansione/compressione di un gas è espresso dall’area sottesa dalla linea che indica la trasformazione sull’asse delle ascisse.

Per tracciare graficamente con una linea una trasformazione, si deve considerare come una successione di infiniti stati di equilibrio. Ogni stato sarà rappresentato da un punto nel piano p-V.

Notiamo, quindi, che nel caso delle trasformazioni isocore, in cui si ha ∆V = 0, effettivamente non è possibile calcolare tale area, che risulterà quindi pari a zero.

Nel caso di una trasformazione ciclica, cioè una trasformazione per cui lo stato iniziale del sistema corrisponde allo stato finale, il sistema subisce sia una fase di compressione, sia una fase di espansione; a queste due fasi corrispondono, rispettivamente, un lavoro negativo e un lavoro positivo; calcolando la loro somma otterremo il lavoro complessivo.

Rappresentando la situazione in un grafico pressione-volume notiamo che il lavoro finale è dato dall’area della regione racchiusa all’interno del grafico; questa è ottenuta come differenza delle aree della parte superiore, cioè della espansione, e della parte inferiore, cioè della compressione, del grafico.

Se la trasformazione avviene in senso orario il lavoro è positivo; se p diminuisce e V aumenta L è positivo.

Se la trasformazione avviene in senso antiorario il lavoro è negativo; se p aumenta e V diminuisce L è negativo.

Calore e lavoro

Calore e lavoro sono forme di energia che attraversano i confini di un sistema.

Il sistema però possiede energia ma non calore e lavoro: entrambi, infatti, sono associati a un processo ma non ad uno stato.

Sono funzioni di linea e non di stato, cioè la loro grandezza dipende dal percorso seguito durante una trasformazione.

Calore: forma di energia che si trasferisce tra due sistemi o tra sistema e ambiente in virtù di una differenza di temperatura, si scambia per differenza di temperatura tra sistema e ambiente.

Il calore si trasmette tramite conduzione, convezione e irraggiamento.

• Conduzione termica è il trasferimento di energia delle particelle più energetiche di una sostanza alle particelle adiacenti meno energetiche in conseguenza all’interpolazione tra particelle.
• Convezione termica è il trasferimento di energia tra una superficie solida e il fluido adiacente in moto e implica gli effetti combinati della conduzione e del moto fluido.
• Irraggiamento termico è il trasferimento di energia dovuto all’emissione di onde elettromagnetiche.

Calore specifico e capacità termica

Calore specifico: il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per variare la temperatura di 1 kg di sostanza di 1 K (DT = 1): da cui:

∆Se T > 0 Q > 0, pertanto la sostanza si riscalda.

∆Se T < 0 Q < 0, pertanto la sostanza si raffredda.

Osservazioni:

• Si considerino due masse di una stessa sostanza, il calore specifico è lo stesso perché è una proprietà della sostanza e non della massa, e si supponga di volerle riscaldare, o raffreddare, entrambe dello stesso T, allora la quantità di calore Q che occorre fornire è direttamente proporzionale alla massa maggiore, cioè si deve fornire più calore per riscaldare la massa più grande.
• A parità di massa e di T, tanto maggiore è il calore specifico tanto maggiore è la quantità di calore Q necessaria per indurre la variazione di temperatura desiderata.

Lavoro: come il calore, è un’interazione di energia tra un sistema e l’ambiente. È il trasferimento di energia associato all’effetto di una forza per uno spostamento (L=Fs).

Capacità termica: in un processo termodinamico il comportamento del sistema è condizionato dalla sua capacità termica che si definisce come la quantità di calore scambiata da un sistema durante una trasformazione per unità di variazione di temperatura.

Calore/variazione di temperatura.

Energia e forme di energia

Energia: capacità di un sistema di compiere lavoro, di evolversi da uno stato ad un altro.

Forme di energia: in un sistema la somma di tutte le forme di energia è detta energia totale E del sistema; infatti, la termodinamica studia i cambiamenti dell’energia totale.

L’energia è una proprietà termodinamica estensiva, che gode della proprietà additiva, e conservativa.

1 2 = + + = + + 2= ’energia totale di un sistema riferita all’unità di massa.

• L’energia totale di un sistema può essere immagazzinata nel sistema e può essere vista come somma di forme di energia statiche, di stato.
• Le forme di energia non immagazzinate possono essere viste come forme dinamiche di energia o di interazione.
• Le forme dinamiche di energia possono essere individuate al confine del sistema quando lo attraversano e rappresentano l’energia guadagnata o perduta dal sistema durante un processo.
• Le forme dinamiche di energia associate a un sistema chiuso sono solo due: calore e lavoro.

Postulato dell’energia

Postulato dell’energia: l’energia non può essere generata né distrutta.

Questo vuol dire che durante una trasformazione, cioè un processo in cui il sistema termodinamico scambia calore e lavoro, l’energia totale del sistema si converte da una forma ad un’altra, ma né si genera né si distrugge.

Se l’energia diminuisce, la quantità di energia che non c’è più nel sistema non si distrugge ma è passata ad un altro sistema o viene ceduta all’ambiente sotto forma di calore o lavoro, andando a variare l’energia totale del sistema. Allo stesso modo se c’è aumento di energia, questa non si è creata nel sistema ma viene dall’ambiente sotto forma di lavoro o calore, perché c’è stata una sollecitazione termica o meccanica.

Se il sistema è sottoposto ad una sollecitazione termica o meccanica, questo subisce una trasformazione, cioè passa da uno stato di equilibrio iniziale a uno stato di equilibrio finale, dopo aver scambiato calore e/o lavoro e quindi la sua energia totale E varia, aumenta o diminuisce dopo aver scambiato calore.

Per un sistema chiuso non ci sono flussi di massa, ma solo calore Q e lavoro L.

((∆ = − = − ) + − ) = + Bilancio di energia per sistemi chiusi.

Il lavoro fatto su un sistema adiabatico (Q=0) è uguale all’aumento di energia totale del sistema (=al lavoro in entrata, ∆ = 10).

Quindi se L=10J allora ∆ = − = Bilancio di energia per sistema adiabatico.

Meccanismi di trasferimento dell’energia

Meccanismi di trasferimento dell’energia.

L’energia è una proprietà estensiva di un sistema e può variare secondo tre modalità:

• Modalità calore = si parla di un’energia trasmessa sotto forma di calore se la causa è una differenza di temperatura.
• Modalità di lavoro = si parla di energia trasmessa sotto forma di lavoro se la causa è l’azione di una forza, P pressione, risultante diversa da essa.
• A seguito di un trasferimento di massa non realizzabile in un sistema chiuso.

Si classificano varie forme di energia che costituiscono l’energia totale di un sistema in due gruppi macroscopiche e microscopiche.

Forme microscopiche di energia: relativa alla struttura molecolare del sistema, e sono indipendenti dal sistema di riferimento esterno.

Forme macroscopiche di energia: forme di energia posseduta da un sistema rispetto a un sistema di riferimento esterno, energia cinetica e potenziale.

L’energia macroscopica di un sistema è legata al movimento e all’influenza di alcuni fenomeni esterni come la gravità, il magnetismo, l’elettricità e la tensione superficiale.

Energia interna, cinetica e potenziale

Energia interna U: è la somma di tutte le forme microscopiche di energia.

U = Sensibile + Latente + Chimica + Nucleare.

Energia sensibile: parte di energia interna di un sistema associata all’energia cinetica delle molecole.

Energia latente: parte di energia interna di un sistema associata alla fase del sistema.

Energia chimica: parte di energia interna di un sistema associata ai legami molecolari.

Energia nucleare: parte di energia interna di un sistema associata ai forti legami tra i nuclei dell’atomo.

Queste forme di energia sono considerate forme statiche di energia.

Energia cinetica Ec: energia che un sistema possiede per effetto del suo moto, rispetto a un sistema di riferimento, energia posseduta dai corpi in movimento.

1 2 = (KJ) 2 1 2 = × (KJ/Kg) 2 per unità di massa.

Energia potenziale Ep: energia che un sistema possiede per effetto della sua quota in un campo gravitazionale, energia posseduta dai corpi posti a una certa altezza dal suolo.

= (kJ) = per unità di massa.

Sistemi stazionari e portate

Sistemi stazionari: sistemi chiusi, la cui velocità e quota del centro di massa restano costanti durante una trasformazione.

La variazione di energia totale di un sistema stazionario coincide con la variazione di energia interna.

∆ = ∆.

Portata massica: è per definizione la quantità di massa che fluisce attraverso una sezione trasversale nell’unità di tempo.

Portata volumetrica: il volume di fluido che fluisce attraverso una sezione trasversale nell’unità di tempo.