Appunti di Fisica tecnica industriale

Fisica Tecnica Industriale 1

Riassunto Teoria

Appunti di Davide Scaglione

Basati sul corso di Fisica Tecnica Industriale 1 tenuto nell’anno accademico 2024-2025 dal professor Ivano Petracci per i CdL in Ingegneria Meccanica-Energetica.

Fisica Tecnica Industriale 1

Riassunto Teoria

Appunti di Davide Scaglione

Basati sul corso di Fisica Tecnica Industriale 1 tenutonell’anno accademico 2024-2025 dal professor Ivano Petracciper i CdL in Ingegneria Meccanica-Energetica.

TOR VERGATAUNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA

Termodinamico

Sistema della Termodinamica

Sistema Termodinamico: insieme degli oggetti di studio delimitato da un contorno.

La termodinamica si occupa di studiare il comportamento macroscopico del sistema nella sua unitarietà. Lo si fa attraverso l’individuazione del suo stato termodinamico, definito dalle variabili:

• massa
• composizione chimica
• variabili interne (P,V,T)
• variabili esterne (Z,u del baricentro)

La termodinamica classica si occupa dello studio degli stati di equilibrio.

• Stato stazionario: se le variabili non cambiano nel tempo.
• Stato in regime variabile (transitorio): se le variabili cambiano nel tempo.

I trasferimenti tra sistema ed esterno sono denominati scambi e possono essere di tre tipi:

• trasporti di massa
• scambi di calore
• scambi di lavoro

E il sistema si dice:

• Chiuso, se non ci sono passaggi di materia attraverso il contorno
• Aperto, se nel contorno ci sono aperture che consentono il passaggio di massa
• Isolato, se non scambia calore (e nemmeno massa).

Lavoro

Consideriamo un gas in un recipiente cilindrico, chiuso da un pistone su cui è posto un peso. Sia p la pressione interna del gas, a temperatura costante. La forza esercitata sul gas è pari a F=pS dove S è la sezione del pistone (area superficie). Se il lavoro compiuto da questa forza per uno spostamento Δx è pari a: L=pSΔx=pΔV. L>0 ⇔ i >0 ⇔ i >0 ⇔ pΔV>0, quindi il lavoro è positivo se il gas si espande.

In termini infinitesimi Δl = pdV = ∫ pdV anche nel caso in cui p non sia costante lungo la trasformazione. In termini reciproci d = ∫ pdV, dunque in un piano pV, il lavoro corrisponde all'area sotto alla curva che rappresenta la trasformazione (se retta).

Dunque il lavoro è positivo se la trasformazione avviene da volumi crescenti. Nel caso di traiettorie cicliche il lavoro corrisponde all'area della superficie chiusa, ed è positivo se la trasformazione procede in verso orario. In convenzione considero come positivo il lavoro effettuato dal sistema, negativo quello subito.

Temperatura

T[ϑ], che si misura in K nel S.I., definito ottenuto seguente procedimento: Consideriamo un S.T. semplice (ovvero che può essere descritto totalmente da due variabili indip.). Se S.T. in eq. se il suo stato non varia, ovvero nche minibile non cambiano i loro valori, rimanendo in eq. con l'esterno. Per indicizzare le interazioni termiche con l'esterno si individuano due tipi di pareti: adiabatiche e diatermiche (o conduttive).

La parete adiabatica è quella che permette a due S.T. in stati differenti di rimanere nei resp. stati se messi a contatto (tramite p. adiabatica ovviamente). La parte diatermica permette interazione fra i due S.T.

Adiabatica

Diatermica

I due S.T. nello stesso situazione possono due differenza stati di eq. e [x4ϑ] e [x5ϑ] due posti a contatto tramite parete diatermica.

Principio Zero della Termodinamica

Due S.T. in equ. con loro S.T. sono anche in eq. tra loro.A eq. C, B eq. C sono in eq. ⇒ A eq. B sono in eq.

Se loro S.T. avviene le caratteristiche di termometro o termoscopio, in grado di misurare se due S.T. sono in eq., termico senza metterli a contatto.Si considera S.T. A con variabile di stato x₁ e B con var. x₂, x' ₂. In esperienza x₁ è un punto di un'isorama di A, passano infiniti punti di B, tutti quegli punti di B sono una isoterma. Con per il principio zero, con un solo S.T. è una fornita di contorno, è fornire un isoterma di A. Si può costruire un numero infinito di isoterme per A e B.

• Isoterme di A e B

Si definiscono le temperature di A e B con le equazioni delle isoterme:

T_A = β(x,y)

T_B = β'(x',y')

Termometricamente si semplifica la funzione riducendo ad una variabile, assumendo l'altra costante. Per esempio, i termometri più diffusi esprimono la temperatura in funzione della dilatazione termica: T = g(x) = ax.In scala di temperatore, invece, definisce due punti di riferimento e un certo numero di intervalli di temperatura in ev. B, in scala centigrado la zona sperimentale fusione e ebollizione dell'acqua e 100 intervalli in questi due punti. T = 100 ^t/₁₀₀L'attuale scala utilizzata dagli S.I. utilizza come unico punto di riferimento il p.to triplo dell'acqua T₃ = 273.16 ^t/₃ = T = 273.16 ^t/₃

Cessione

Interazione fra S.T. o A.B. termica il contorno, o causa di una diff. di temp.Calor positivo se risultante del S.T., negativo se ceduto.

Sorgente termica; S.T. di capacità termica tendente a infinito. (mass).

Primo Principio della Termodinamica

Esperimento di Joule.

Formulazione

Q = L

Q_0-1 = ∫₀¹ẟQ = ∫₀¹ẟL ⇒ ∫₀¹ẟ(Q-L) = 0 ∀ trsf. ciclica, dunque la funzione integranda è un differenziale esatto, la funzione è una funzione di Stato.

∆E = U₂-U₁ + E₂-E₁; le variabili interne sono volume specifico, pressione, temperatura e il numero della massa e composizione chimica.

∀ V=tp v=const) ⇒ Q-R = L=0 fun. di Stato.

Per sistemi chiusi solo p.V.T.

Le variabili esterne sono la quota z e la velocità v del baricentro del sistema. Quindi: E = Ep + Ec. L'energia in definitiva ΔE = Δu + Δep + Δec.

Il principio in questo modo:

Q - L = Δu + Δep + Δec   Forma esterna finita

δQ - δL = du + dep + dec   Forma esterna infinitesima

q - l = Δu + Δep + Δec   Forma specifica finita

δq - δl = du + dep + dec   Forma specifica infinitesima

Trasformazioni Termodinamiche

Possono essere reversibili (quindi rappresentabili con due rami) o irreversibili. Le condizioni per avere una trasformazione reversibile sono:

• La pressione, la temperatura e il volume specifico del sistema devono essere uniformi all'interno. (Ipotesi di eq. interna).
• La pressione e temperatura devono essere uguali a quelli dell'esterno. (Ipotesi di eq. esterna).
• Assenza di attriti.

Le transf. revers. si rappresentano con linea continua, perché ogni punto è di equilibrio, le transf. irreversibili con linea tratteggiata.

Quindi se un S.T. è chiuso e fermo, possiamo definire le seguenti trasf. complete ad uso:

• Adiabatica Q≈0 ⇒ ΔU = -L
• A volume nullo L ≈ 0 ⇒ ΔU = Q
• Isotera p = cost.
• Isoterma T = cost.

SISTEMA APERTO

Per sistemi con una sola ingresso e una sola uscita

Limitiamo lo studio dei sistemi aperti al caso stazionario, ovvero le variabili sono costanti nel tempo. -> σ_ing g_i ≠ σ