Appunti di Fisica

Fisica

1concetti base (quaderno)

3)Energia e primo principio della termodinamica

Sappiamo bene che l'energia non può essere creato, distrutta durante una

trasformazione e che può soltanto trasformarsi. Da una forma all'altra. Il

trasferimento di energia avviene sempre da un corpo caldo a un corpo

meno caldo. La termodinamica fornisce informazioni solo sulla variazione

dell’energia totale. L’analisi termodinamica è utile a classificare le varie

forme di energia che costituiscono l’energia totale di un sistema in due

gruppi: macroscopiche e microscopiche

AE=TOTALE

MACRO MICRO --> AU Energia interna

1)Le forme macroscopiche dell'energia sono quelle che un sistema

possiede nel suo complesso, (cinematica e potenziale).

2)Le forme microscopiche sono legate alla struttura molecolare del

sistema e al grado di attività molecolare, sono indipendenti dal sistema

esterno.

ENERGIA TOTALE:(E) È la somma delle diverse forme di energia termica,

cinematica potenziale, elettrica, magnetica, chimica e nucleare.

AE= ENERGIA TOTALE

AE=Ep+Ee+AU = AE =AU

L'energia interna: termina coniato da Thomas Young, si indica con la

lettera U è la somma di tutte le forme microscopiche dell'energia.

L'energia macroscopica: è legata al movimento e all'influenza di alcuni

fenomeni esterni come la gravità e l'elettricità, eccetera.

L'energia cinetica: è l'energia che un sistema possiede per effetto del suo

modo riferito ad un fissato sistema di riferimento.

l'energia potenziale: è l'energia che un sistema possiede per un per effetto

della sua quota in un corpo gravitazionale

Sistemi stazionari: sono dei sistemi chiusi la cui velocità e quota del

centro di massa restano costanti durante una trasformazione non

subiscono variazioni in cui l'energia totale e l'energia interna coincidono.

Portata massica: è la quantità di massa che fluisce attraverso una sezione

trasversale riferita all'unità di tempo.

Portata volumetrica: è il volume di un fluido che fluisce attraverso una

sezione trasversale riferita all'unità di tempo.

L'energia interna di un sistema è stata definita precedentemente come la

somma di tutte le forme microscopiche di energia di un sistema. Essa è

legata alla struttura molecolare e al grado di attività molecolare e può

essere considerata come la somma dell'energia cinetica e potenziale delle

molecole. Per comprendere meglio l'energia interna si esamina un sistema

a livello molecolare. Le molecole di un gas si muovono attraverso lo spazio

occupato dal gas con una certa velocità e quindi possiedono una certa

energia cinetica (ENERGIA DI TRASLAZIONE) Gli atomi delle molecole

ruotano attorno a un asse e l’energia associata a questa rotazione è

l’ENERGIA CINETICA DI ROTAZIONE. Possono anche vibrare attorno al loro

comune centro. Gli elettroni nelle orbite esterne hanno energia cinetica

maggiore e ruotano intorno ai loro assi come trottole. L’energia associata a

questo moto è l’ENERGIA DI SPIN. Poiché la velocità media ed il grado di

attività delle molecole sono proporzionali alla temperatura, ne consegue

che al crescere della temperatura aumenta l’energia cinetica delle

molecole e quindi anche l’energia interna del sistema.

L’energia interna è legata alle forze intermolecolari che sono più intense

nei solidi e più deboli nei gas. Se una sufficiente quantità di energia viene

fornita alle molecole di un solido o di un liquido, queste forze

intermolecolari saranno vinte. Rompendo il legame fra le molecole si

determina il passaggio del sistema ad una fase diversa: questa è una

trasformazione di cambiamento di fase. L’energia interna legata alla fase

del sistema è detta energia latente

Quindi abbiamo detto che l'energia interna è suddivisa in:

- Energia sensibile: in cui aumenta la temperatura,

-Energia latente,: in cui cambia fase.

Le forme di energia discusse precedentemente che costituiscono l'energia

totale di un sistema sono quelle contenute o immagazzinate in un sistema

e perciò possono essere considerate come forme statiche di energia;

invece, le forme di energia che non sono immagazzinate all'interno di un

sistema possono essere considerate come forme dinamiche di energia o

energia scambiate. Queste si manifestano al contorno del sistema nel

momento in cui lo attraversano e rappresentano l'energia ricevuta o persa

dal sistema durante una trasformazione.

Quando l'energia passa da un sistema all'altro viene chiamata energia in

transito e avviene in due modi, attraverso il lavoro e il calore.

-lavoro (L)

-calore(q)

Il trasferimento di energia avviene sempre dal corpo, a temperatura più

alta verso collo a temperatura più bassa. Nel caso della patata al forno,

un'energia continuerà ad abbandonare la patata finché essa non si sarà

raffreddata fino alla temperatura ambiente. Una svolta stabilità al

l'eguaglianza di temperatura tra patata e ambiente il trasferimento di

energia terminerà. Nei processi appena descritti si dice che l'energia si

trasferisce sotto forma di calore.

Il calore, definito come la forma di energia che si trasferisce tra due sistemi

o tra un sistema e l'ambiente in virtù di una differenza di temperatura, in

pratica uno scambio di energia si presenta sotto forma di calore soltanto

se avviene a causa una differenza di temperatura. Non può esistere alcuna

trasmissione di calore tra due sistemi alla stessa temperatura. Nella vita

quotidiana si fa riferimento alle forme sensibili e latente di energia usando

il termine calore; invece, nella termodinamica tali forme di energia

vengono chiamate energia termica per evitare qualsiasi confusione con il

calore inteso come energia che si trasferisce. Infatti, il calore, è energia in

transito riconoscibile solo al momento in cui attraversa il contorno di un

sistema. Considerando ancora una volta la patata cotta al forno, essa

contiene energia che si configura come trasmissione di calore solo quando

passa attraverso la buccia della patata. Una volta nell'ambiente il calore

trasmesso diventa parte dell'energia interna dell'ambiente. Un processo

durante il quale non vi è trasmissione di calore è detto trasformazione

adiabatica. Una trasformazione può risultare adiabatica quando il sistema

è ben isolato termicamente, solo una quantità di calore può attraversare il

contorno, oppure quando il sistema e l'ambiente sono alla stessa

temperatura. Una trasformazione adiabatica non va confusa con una

trasformazione isotermica. Infatti, sebbene durante una trasformazione

adiabatica non vi sia trasmissione di calore, il contenuto di energia e quindi

la temperatura del sistema possono ancora modificarsi. Per il calore, in

quanta energia si usa come unità di misura il joule (j)

energia trasferita durante la trasformazione tra due stati

calore trasferito all’unità di massa di un sistema

potenza termica trasmessa in un determinato intervallo di

tempo (derivata rispetto al tempo e per questo puntata)

Il calore fu correttamente interpretato. Come energia associata al muto

casuale di atomi e molecole. Il calore si trasmette secondo tre modalità,

conduzione, Convenzione e irraggiamento

Il lavoro, come il calore, è uno scambio di energia tra un sistema e

l'ambiente. Se l'energia che attraverso il contorno di un sistema chiuso non

è calore deve essere lavoro, il lavoro è il trasferimento di energia associato

all'effetto combinato di una forza di uno spostamento. Il lavoro, come il

calore, è una forma di energia scambiata, utilizzata, scambiata e utilizza

l'unità di misura dell'energia quale joule.

Il calore e il lavoro sono grandezze dotate diverso, quindi per descrivere

uno scambio di calore e di lavoro si devono specificare il valore numerico è

il verso della grandezza in questione. Si può specificare il verso adottando

una Convenzione dei segni.

LAVORO e CALORE:

- sono fenomeni al contorno

- nessuno dei due può essere posseduto dal sistema (l’energia si);

- sono associati ad una trasformazione e non ad uno stato;

- sono funzioni di linea (la loro entità dipende dal percorso seguito durante

una trasformazione) e non hanno differenziali esatti (d) contrariamente alle

proprietà che sono funzioni di punto e che hanno differenziali esatti (d)).

COME SI CALCOLA IL LAVORO?

Il lavoro è l'area sottesa dalla trasformazione. Durante una trasformazione

si può compiere lavoro. Quando c'è un'espansione viene compiuto lavoro

verso destra. Espansione destra, compressione sinistra. Se cambia il

percorso della trasformazione, cambia quanto lavoro viene subito o

ceduto.

Abbiamo diversi tipi di lavoro: lavoro meccanico, lavoro elettrico, lavoro elastico.

Il risultato osservato da Joule è che il lavoro speso è proporzionale alla variazione di

temperatura dell’acqua.

- Sperimentalmente si osserva che la temperatura rimane invariata.- Il gas, quindi, non

scambia calore con l'ambiente: [Q=0]- Non scambia neanche lavoro con l'ambiente:

[L:0]- Dal 1°principio segue che ΔU=0- Nell'espansione libera l'energia interna di un gas

ideale non varia.- In realtà si osserva una piccola variazione di temperatura, tanto più

piccola quanto più il gas è vicino alle condizioni del gas ideale.- Si assume quindi che

per un gas ideale si avrebbe variazione di temperatura "nulla".- Nella trasformazione il

gas cambia sia pressione che volume, ma l'energia interna non varia.- in conclusione,

"l'energia interna del gas ideale può dipendere solo dalla temperatura"

1° principio della termodinamica

Il principio della termodinamica, o principio di conservazione dell'energia, sulla base di

osservazioni sperimentali, afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta,

ma può solo cambiare forma. E noto che una roccia, ad una determinata quota,

possiede energia potenziale che si converte parzialmente in energia cinetica durante la

caduta. Dati sperimentali mostrano che quando la resistenza dell'aria è trascurabile, la

diminuzione di energia potenziale eguaglia esattamente l'aumento di energia cinetica,

confermando così il primo principio di conservazione dell'energia. Per un sistema

chiuso, tutte le trasformazioni adiabatiche tra due Stati di equilibrio avvengono in modo

che il lavoro netto compiuto e lo stesso, indipendentemente dalla natura del sistema

chiuso e dalla particolare trasformazione, adiabatica.

Tale affermazione in gran parte è basata sugli esperimenti di joule. Il primo principio

non fa riferimento al valore dell'energia totale di un sistema chiuso in uno Stato di

equilibrio, ma afferma semplicemente che la variazione dell'energia totale del sistema

durante una trasformazione adiabatica deve essere uguale al lavoro scambiato con

l'ambiente. Sebbene l'essenza del primo principio sia l'esistenza della proprietà energia

totale, il primo principio è spesso considerato come un'affermazione del principio di

conservazione dell'energia che implicita nel suo enunciato.

BILANCIO ENERGETICO

Il principio di conservazione dell'energia può essere enunciato come

segue: variazione netta, aumento o diminuzione dell'energia totale del

sistema durante una trasformazione è uguale alla differenza tra energia

totale entrante nel sistema e l'energia totale uscente dal sistema durante

la trasformazione.

Questa relazione detta bilancio energetico è applicabile a ogni tipo di

sistema soggetto a qualsiasi tipo di trasformazione.

Per determinare la variazione di energia di un sistema durante una

trasformazione si deve valutare l’energia del sistema all’inizio e alla fine

della trasformazione e calcolare la differenza tra le due energie.

ΔEsistema = Efinale – Einiziale = E2– E1

L’energia è una proprietà quindi il suo valore rimane invariato salvo che

non vari lo stato del sistema. Se lo stato del sistema non varia durante la

trasformazione, la variazione di energia è zero. Ricordiamoci che l'energia

può esistere in numerose forme quali energia interna, ovvero sensibile,

latente, chimica e nucleare, energia cinetica, elettrica, magnetica e la loro

somma costituisce l'energia totale di un sistema.

TRASFERIMENTO DI ENERGIA

L'energia può essere trasferita dall'ambiente a un sistema, viceversa in tre

forme, calore, lavoro e flusso di massa. Gli scambi di energia vengono

riconosciuti al contorno del sistema quando lo attraversano e

rappresentano l'energia acquistata o ceduta dal sistema durante una

trasformazione, le uniche due forme di scambio di energia associata a una

massa fissa o un sistema chiuso sono il trasferimento di calore e il

trasferimento di lavoro.

TRASFERIMENTO DI CALORE Q = il trasferimento di calore dall’ambiente a

un sistema aumenta l’energia delle molecole e quindi l’energia interna del

sistema e il trasferimento di calore di un sistema all’ambiente la

diminuisce perché l’energia trasferita dal sistema all’ambiente proviene

dall’energia delle molecole del sistema.

TRASFERIMENTO DI LAVORO L = uno scambio di energia che non è

causato da una differenza di temperatura tra un sistema e il suo ambiente

è costituito da lavoro. Il trasferimento di lavoro dall’ambiente a un sistema

(Il lavoro compiuto dall'ambiente sul sistema) aumenta l’energia del

sistema e il trasferimento di lavoro da un sistema all'ambiente, (cioè il

lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente), la diminuisce perché l'energia

trasferita dal sistema al suo ambiente proviene dall'energia contenuta nel

sistema.

TRASFERIENTO DI MASSA (flusso di massa) m = quando una certa massa

entra in un sistema, l’energia del sistema aumenta perché la massa

trasporta con sé energia, Quando una certa massa esce dal sistema,

l'energia contenuta dal sistema diminuisce, perché la massa uscente

trasporta con sé una certa quantità di energia.

Il contenuto energetico di un volume di controllo può essere variato dal

flusso di massa nonché dagli scambi di calore e di lavoro. Quando una

certa quantità di acqua calda viene prelevata da uno scaldacqua e viene

sostituita da un’uguale quantità di acqua fredda, il contenuto energetico

del serbatoio di acqua calda (il volume di controllo) diminuisce in

conseguenza di questo scambio di massa

• Se un sistema è chiuso, soggetto ad un ciclo, lo stato iniziale = quello finale

quindi: ΔEsistema = E2 – E1 = 0 quindi

• Eentr – Eusc= 0 quindi

• Eentrante = Euscente Visto che un sistema chiuso non implica nessun

passaggio di massa attraverso il contorno, il bilancio energetico per un ciclo può

essere espresso in termini di scambi e di lavoro come: Lnetto, uscente = Qnetto,

entrante.

• oppure. Lnetto, uscente = Qnetto, entrante

Il termine rendimento è uno dei termini più usati in termodinamica e indica la bontà di un

processo di conversone o di trasferimento di energia. è sempre <1

Il rendimento può essere espresso in generale in termini del risultato utile ottenuto,

rapportato a quanto si è speso per ottenerlo.

Il rendimento è una quantità adimensionata, essendo data al rapporto di due grandezze

fisiche omogenee misurate con la stessa unità. Al denominatore del rapporto figura

l'ammontare della grandezza fisica che ha dovuto essere utilizzata per compiere una

certa trasformazione, al numeratore del rapporto figura l'ammontare della stessa

grandezza che risulta utilizzato in tale trasformazione.

Abbiamo diversi tipi di rendimento ad esempio:

il rendimento di uno scaldacqua è per definizione il rapporto tra l'energia erogata alla

casa dell'acqua calda e l'energia fornita allo scaldacqua;

RENDIMENTO A COMBUSTIONE: Il rendimento di un apparecchio che implica la

combustione di un combustibile, si basa sul potere calorifico del combustibile PC Che

è la quantità di calore che si libera quando una quantità unitaria di combustibile a

temperatura ambiente viene bruciata completamente e i prodotti della combustione

vengono raffreddati a temperatura ambiente.

RENDIMENTO ANNUALE DI UTILIZZAZIONE DEL COMBUSTIBILE: AFUE Il rendimento

dei sistemi di riscaldamento ambiente degli uffici residenziali e commerciali viene

generalmente espresso in termini di annual fuel utilization efficiency.

RENDIMENTO DEL GENERATORE ELETTRICO:

Un generatore elettrico e una macchina elettrica che converte energia meccanica in

energia elettrica e la sua efficienza è caratterizzata dal rendimento del generatore

elettrico, ovvero il rapporto tra la potenza elettrica uscente dal generatore e la potenza

meccanica entrante nel generatore.

Abbiamo diversi tipi di rendimento complessivo o globale o combinato di una centrale

termoelettrica.

RENDIMENTO DI UN APPARECCHIO DI COTTURA

4) SOSTANZE PURE

Una sostanza la cui composizione chimica non varia in tutta la massa presa in

considerazione è detta sostanza pura. Sono sostanze pure l'acqua, l'azoto l'elio e il

diossido di carbonio. La sostanza pura non per forza è costituita da un unico elemento

chimico o composto chimico, poiché anche una miscela di più elementi composti

chimici, purché omogenea, può essere considerata sostanza pura. L'area, ad esempio,

è una misura di diversi gas che spesso viene considerata come sostanza pura poiché è

una composizione chimica o uniforme.

Una miscela di due o più fasi di una sostanza pura e ancora sostanza pura se la

composizione chimica di tutte le fasi è la stessa, ad esempio una miscela di ghiaccio e

acqua liquida è una sostanza pura perché entrambe le fasi hanno uguale composizione

chimica.

Le fasi principali sono tre, solido, liquido e aeriforme. Tuttavia, una sostanza può avere

numerose fasi all'interno di una fase principale, ognuna caratterizzata da una diversa

struttura molecolare.

SOLIDO: Le molecole di un solido sono disposte in un reticolo tridimensionale che si

ripete in tutto il corpo poiché le