Principi fondamentali e applicazioni della termodinamica

Termodinamica: è la parte della fisica che studia gli scambi di energia tra un sistema e il suo ambiente.

Reversibilità e irreversibilità

Reversibilità: una trasformazione reversibile avviene lentamente per cui le condizioni di equilibrio termodinamico variano gradualmente e sono facilmente misurabili, essendo l’una vicina all’altra. Sia il sistema che l’ambiente possono essere ricondotti allo stato iniziale. In un grafico questa trasformazione è rappresentata da una linea.

In natura e in ogni processo che sviluppa calore, non può esserci la reversibilità in quanto il sistema non è in equilibrio termodinamico. In un grafico viene rappresentata da un area a forma di fuso, non potendo appunto definire con precisione le variabili di stato del sistema eccetto che nello stato iniziale e finale.

Termostati e lavoro dei gas

Termostato o sorgente di calore: sistema capace di cedere o assorbire calore senza mutare la propria temperatura. Maggiore è la capacità termica minore è la variazione di temperatura quando si fornisce o sottrae calore (di conseguenza i termostati hanno grande capacità termica).

Lavoro compiuto da un gas in una trasformazione isobara:

Se il lavoro è compiuto nello stesso verso della forza allora è positivo. In generale è positivo durante un’espansione e negativo durante una compressione. Nel grafico il lavoro è rappresentato dall’area del rettangolo compreso tra il segmento e l’asse x.

Primo principio della termodinamica

Primo principio della termodinamica:

Q è positivo se il calore fluisce dall’ambiente al sistema, negativo se il sistema cede calore all’ambiente. L è positivo se il sistema compie lavoro sull’ambiente e negativo se l’ambiente compie lavoro sul sistema.
Trasformazioni isocore: L=0 perché il volume non cambia, quindi

Trasformazioni isoterme: non calcolabile

Trasformazioni cicliche: quando lo stato finale coincide con lo stato iniziale; sono reversibili e rappresentate da una curva chiusa , il lavoro è l’area delimitata dalla curva:

Trasformazioni adiabatiche: quando non c’è scambio di calore con l’esterno (es: thermos); Se c’è un raffreddamento L è positivo e DeltaU negativo, viceversa se c’è un riscaldamento L è negativo e DeltaU positivo:

Funzionamento delle macchine termiche

Una macchina termica è un dispositivo che trasforma il calore in lavoro meccanico attraverso il gas.

1. La caldaia viene riscaldata

2. L’acqua dentro la caldaia si trasforma in gas

3. Il gas si espande e arriva al pistone

4. Il pistone compie lavoro trasmettendo il movimento ad altre parti mobili

In questo modo però non si avrebbe un lavoro continuativo perché il pistone deve ritornare nella posizione di partenza. Inizia allora una serie di trasformazioni cicliche:

5. Il gas viene compresso

6. Il calore viene sottratto da un sistema refrigerante

Servono quindi due serbatoi termici: uno caldo (Q2 ) e uno freddo (Q1 ). Essendo un ciclo DeltaU è nullo, quindi il lavoro compiuto da una macchina è:

I frigoriferi sono macchine a ciclo invertito, cioè sottraggono calore ad un ambiente freddo e lo trasferiscono ad uno più caldo consumando energia elettrica (quindi lavoro).

Rendimento e principi della termodinamica

Il rendimento, cioè l’efficienza di una macchina si calcola con:

Nessuna macchina è in grado di trasformare il 100% del calore in lavoro, restituendo all’ambiente (Q1 > 0)

Kelvin, riguardo al secondo principio della termodinamica: nessun sistema può compiere una trasformazione il cui risultato sia solo convertire in lavoro meccanico il calore prelevato da un unico serbatoio termico.

Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da un corpo più freddo ad uno più caldo.

Carnot: tutte le macchine termiche che compiono un ciclo reversibile scambiando calore con due soli serbatoi a temperature fisse hanno lo stesso rendimento. Nessuna macchina reale, non reversibile, che operi fra le stesse temperature può avere un rendimento maggiore o uguale.

Terzo principio: è impossibile realizzare una serie finita di processi tale da condurre la temperatura di un sistema alo zero assoluto, qualunque sia la natura dei processi e del sistema.