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Formulazione e spiegazione dei principi della termodinamica


Primo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica è una particolare formulazione del principio di conservazione dell’energia.
Il calore che interviene in un processo termodinamico risulta uguale alla differenza tra la variazione dell’energia interna e il lavoro compiuto:
delta e (variazione di energia) - l (lavoro) = q (calore)

Formulazione matematica del primo principio della termodinamica

delta e = q + l

Calore scambiato a volume costante

delta e = q + l
l = -P * delta V
- l = P * delta V
delta e = q - P * delta V
Se la trasformazione avviene a volume costante, delta V = 0. Segue che:
delta e = q
La variazione di energia è uguale alla quantità di calore.

Calore scambiato a pressione costante

delta e = q - l
q = delta e + p * delta v
delta e = e v - e a
delta v = v v - v a
q = e v - e a + p (v v - v a)
q = e v - e a + pvv - pva

la somma fra l’energia del sistema in un determinato punto e il prodotto fra la pressione ed il volume del sistema stesso in quello stesso punto è uguale ad H e prende il nome di entalpia.
q = (e b + pvb) - e a + pva
e b + pvb = hp
e a + pva = h a
q = h p - h a
p = delta H
q con p = delta a H

Secondo principio della termodinamica


Processi reversibili e processi irreversibili
Un processo si dice reversibile quando:
- la trasformazione è condotta a lentezza infinita, in modo che si susseguano tanti stati di equilibrio;
- è possibile in ogni momento invertire il senso del processo, ripercorrendo gli stessi punti di equilibrio del processo di andata.

Tutti i processi naturali spontanei sono irreversibili.
Supponiamo di avere un gas compresso in un recipiente che, tramite un rubinetto, è collegato ad un altro recipiente vuoto. Aprendo la valvola v che collega i due recipienti, il gas si espande spontaneamente fino a quando non si raggiunge la stessa pressione nei due serbatoi. Andiamo a ristabilire le condizioni iniziali: servendoci di un pistone e compiendo un certo lavoro di compressione riportiamo il gas nel primo recipiente. Il gas, per compressione, si riscalda. Supponiamo di prelevare questo calore sviluppato dal gas per trasformarlo in lavoro: il lavoro ottenuto sarà minore del lavoro speso.

Mentre è possibile trasformare le varie forme di energia in calore, non è possibile trasformare il calore in lavoro perché si avranno sempre delle perdite. Questa è la base del secondo principio della termodinamica, che può essere enunciato in due modi:
enunciato di Kelvin: è impossibile costruire una macchina termica che assorbendo calore fornisca una quantità di lavoro equivalente al calore assorbito;
enunciato di Clausius: è impossibile costruire una macchina capace di produrre trasferimento di calore da un corpo più freddo ad un corpo più caldo senza spendere lavoro.

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