Termodinamica - Fondamenti

Termodinamica

[Sistema termodinamicoun recipiente cilindrico contenente del gas chiuso

con un pistone mobile]

Scienza che studia le leggi con cui i sistemi scambiano energia con l’ambiente.

equilib

Equilibrio

Equilibrio

meccanic

Equilibrio o

Equilibrio

termico

termico Equilibrio

chimico

Equilibrio

termodinamico

rio meccanico: somma delle forze agenti uguale a 0

equilibro termico: nessuna variazione significativa della temperatura

equilibrio chimico: somma dei reagenti uguale alla somma dei prodotti

Principio zero della termodinamica

Dati tre sistemi A,B,C, se A è in equilibrio termodinamico con C e B è in

equilibrio con C, allora A e B sono in equilibrio tra loro

Un sistema termodinamico può subire:

1. trasformazioni reali: avvengono “velocemente”, non consentono un

controllo del sistema

2. trasformazioni ideali quasi statiche: avvengono lentamente, permettono

un controllo del sistema istante per istante

Trasformazioni quasi statiche:

I. trasformazioni isocore [volume costante]

II. trasformazione isobara [pressione costante]

III. trasformazione isoterma [temperatura costante]

IV. trasformazione adiabatica [senza scambio di calore con l’ambiente]

V. trasformazione ciclica [si ripete]

Lavoro di un sistema termodinamico

Consideriamo un sistema termodinamico posto su una fonte di calore/energia.

Il gas contenuto nel recipiente si espande compiendo lavoro sollevando il

pistone mobile.

Detta h l’altezza del pistone: L=Fh

Forza e pressione sono legate dalla relazione p=F/S F=pS

[volume del cilindro]

L=pShL=pV

ΔV

L= P

Per convenzione, se il sistema compie lavoro, allora L>0, se il sistema subisce

un lavoro [compressione], allora L<0.

I principio della termodinamica

In un sistema termodinamico sussiste la seguente relazione: ΔU=Q-L la

variazione di energia interna è data dalla somma di calore (assorbito/ceduto).

[=principio di conservazione dell’energia]

isocora

Trasformazione [pistone non si solleva, no compressione, no

L=0

espansione] calore assorbito/ceduto corrisponde ad un aumento/diminuzione

ΔU=Qil

dell’energia interna del sistema.

isobara

Trasformazione può compiere e subire lavoro. L=pΔVΔU=Q-

sistema

pΔV. adiabatica

Trasformazione La variazione dell’energia interna è

Q=0ΔU=-L.

uguale all’opposto del lavoro. Se il sistema compie lavoro L>0 e ΔU<0perdita

di energia interna. se subisce lavoro L<0 ΔU>0aumento di energia interna

ciclica

Trasformazione il sistema termodinamico torna alle condizioni

poiché

iniziali si ha che ΔU=0, ed il I principio delle dinamica diventa0=Q-LL=Q

Macchine termiche

Si definisce macchina termica un dispositivo tra due sorgenti di calore, detti

caldaia e refrigerante, che compie trasformazioni cicliche.

Refrigerante

Caldaia [T ]

[T ] 2

1 Lavor T >T

1 2

o

ΙΙ principio della termodinamica [Kelvin]

Considerata una macchina termica, non è possibile che l’energia assorbita dalla

(caldaia)

sorgente calda si trasformi completamente in lavoro.

ΙΙ principio della termodinamica [Clausius]

Considerata una macchina termica, non è possibile che sia trasferito calore solo

dalla sorgente fredda a quella calda.

di funzionamento inverso

frigoriferiprincipio

Rendimento di una macchina termica

Si definisce rendimento di una macchina termica il rapporto tra il lavoro

effettuato ed il calore assorbito dalla caldaia.

η=L/Q [calore assorbito]

2 una macchina termica effettua trasformazioni cicliche, per il primo

Poiché

principio delle termodinamica si ha che L=QL= Q -|Q | [perché ci sono due

2 1

sorgenti di calore]

-|Q | /Q η=1- (|Q |/ Q ) 0≤η<1 [0 quando Q

η=Q   =Q ]

2 1 2 1 2 1 2

N.B.: il rendimento non può essere 1 perché: η=1- (|Q1|/ Q2), per avere η=1 si

dovrebbe avere

Q / Q =0(ossia Q =0), ma si avrebbe una violazione del principio di Kelvin

1 2 1

II principio della termodinamica [III enunciato]

Il rendimento di una macchina termica non può essere uguale ad 1.

Trasformazioni termiche reversibili ed irreversibili

-Una trasformazione ciclica si dice reversibile se, una volta effettuata la

trasformazione, sia il sistema che l’ambiente tornano alle condizioni iniziali.

[ideali]

-Una trasformazione ciclica si dice irreversibile se, una volta effettuata la

trasforazione, sia il sistema e l’ambiente (soprattutto) non tornano alle

condizioni ideali.

Teorema di Carnot

Il rendimento di una macchina termica irreversibile è sempre minore o uguale

al rendimento di una macchina termia reversibile. η <η

I 2

Macchina di Carnot e ciclo di Carnot

È una macchina termica reversibile che segue una trasformazione ciclica in

quattro fasi:

espansione isoterma

 espansione adiabatica

 compressione isoterma

 compressione adiabatica



I. Espansione isoterma

Il sistema si trova allo stato iniziale A, caratterizzato da un certo valore di p e v,

alla temperatura T . Durante questa fase il gas si espande, sollevando il

2

pistone. Poiché la temperatura tende a diminuire, è necessario fornire

dall’esterno del calore per mantenere costante la temperatura. Alla fine della

fase I il sistema ha aumentato il volume e diminuito la pressione.

II. Espansione adiabatica

Il sistema si espande e, poiché la trasformazione è adiabatica, la temperatura

diminuisce. Alla fine della fase II il sistema ha aumentato il volume, diminuito la

pressione e la temperatura[T ].

1

III. Compressione isoterma

Il sistema viene compresso, aumenta la pressione, e diminuisce il volume.

Poiché la temperatura deve rimanere costante, il sistema è messo a contatto

con sostanze refrigeranti.