Prima parte degli appunti del corso di Fisica tecnica

Fisica Tecnica

Fisica tecnica si occupa di tutti gli scambi di calore ed energia.

Fisica teorica applicata alla realtà, messo in pratica

Termodinamica è la scienza che studia il trasferimento e le trasformazioni dell'energia.

Racchiude la trasformazione di lavoro e/o calore in un sistema che può essere aperto o chiuso.

Riguarda qualsiasi scambio di energia. Gli scienziati più importanti che hanno definito questa scienza sono: Carnot, teorizzò la macchina ideale (le macchine a vapore erano in circolazione, ma nessuno si era posto il problema di crearne una migliore o più efficiente); la formulazione corretta del secondo principio arriva da Kelvin.

Le due cose che hanno rivoluzionato l'epoca moderna: energia elettrica e frigorifero (procedimento inverso, processo di raffreddamento).

Termini importanti:

• Sistema e ambiente = ambito in cui avvengono le trasformazioni. L'ambiente è ciò che circonda il sistema, quest'ultimo normalmente è limitato.

• Entropia = caratterizza in un certo qual modo, il nostro obiettivo è quello di produrre cose con il minor grado di entropia.

• Vincoli di un sistema = può essere isolato, aperto, chiuso, basta definire i vincoli nel modo corretto e le equazioni.

• Massa e volume di controllo = un sistema può essere aperto o chiuso.

• Macroscopico o microscopico = due prospettive diverse con le quali si può affrontare la termodinamica. Si adotta però principalmente quella macroscopica.

• Proprietà termodinamiche = possono essere intensive o estensive.

• Stato termodinamico ed equazioni di stato = permettono di descrivere un sistema termodinamico.

• Sistemi semplici

• Gradi di libertà di un sistema = p, V, T

• Trasformazioni termodinamiche = variazione “lenta” dello stato del sistema, lento si analizza meglio. Normalmente le più lente sono quelle reversibili.

• Termodinamica classica o del continuo

• Concetti di temperatura e pressione = in termodinamica converti le temperature in Kelvin, temperatura assoluta.

• Energia, calore e lavoro = sono importanti le relazioni che ci sono fra di esse. Ci sono veri e propri specifici. Attenzione ai segni.

SISTEMA E AMBIENTE

Un sistema può avere una forma qualsiasi, per noi l'importante è sapere cosa accade al confine con l'ambiente - SUPERFICIE DI CONTROLLO. Il sistema è la quantità di materia o la regione di spazio oggetto di studio. L'ambiente è tutto il resto.

In un sistema CHIUSO la massa rimane costante, eventualmente puoi deformarlo ➔ di questo studii le proprietà energetiche della materia che c'è dentro ➔ ENERGIA INTERNA.

Invece, se il sistema è APERTO la sostanza dentro non è più costante ➔ quello che si fa è stabilire un certo volume di controllo fisso e vedere cosa succede alla massa che passa per quel punto = ENERGIA (energia interna + energia cinetica +...) (fluido) . Se un sistema è ISOLATO non ci sono scambi di lavoro e calore tra con l'ambiente, può essere isolato termicamente, e meccanicamente.

Bombola di gas finché il rubinetto è chiuso è chiusa.

Trasporto di massa ➔ sistema aperto.

Noi avremo un approccio MACROSCOPICO, valutazioni sulla variazione tra stato iniziale e finale. Coordinate termodinamiche ➔ batteranno un grafico.

Proprietà termodinamiche ➔ intenzive = valore indipendente dalla grandezza del sistema: temperatura.estensive = dipendono dalla grandezza del sistema.

• Pressione, conducibilità termica
• Massa, volume, entalpia, energia, capacità termica

Proprietà specifica: qualcosa che ottieni in base alla massa ➔ proprietà estensiva.Potenza specifica = alta possibile ➔ meno peso: aeroplano (il più leggero possibile per trasportare t).

• non ci sono ancora aerei elettrici o che devono avere una grande potenza per volare da terra), automobili, moto termodinamico non dipendono dal sistema.

Ciclo ➔ ritorni a zero, sei tornato al punto di partenza.

Equazione di stato che cosa succede al sistema con variazione di particolari grandezze. E equazione di stato più ordinata:

Aria nonostante l'umidità puoi assimilarla ad un gas (ideale).

• ISOBARA ➔ vari il volume pressione costante
• ISOCORA ➔ uguale volume pressione diversa
• ISOTERMA ➔ cambiano pressione e volume, temperatura costante

rimasto solo vapore, può essere surriscaldato.

Punto critico è a pressioni molto alte (da liquido diventa direttamente vapore).

La maggior parte delle sostanze in natura si riduce quando si congela, tranne l'acqua e i suoi derivati.

Acqua è un ottimo fluido vettore

Superficie del grafico 3D=specifico stato termodinamico. Punto triplo=intersezione

nullo il liquido, gas=non identifica una caratteristica univoca della sostanza.

due tipi sono importanti per gestire una sostanza all'interno di una macchina,

in particolare per far sì che sia nella fase corretta.

Processo aperto: stato iniziale diverso da quello finale

integrare la PdV=₂ ^PdV

Processo chiuso ciclo: sei tornato al punto di partenza (PV area lavoro, Ts calore)

Sistema chiuso: oneri una massa di controllo (senza deflusso)=la variazione di

Volume da lavoro, ovvero dL=pdV=dV=mdv dL=pmdv

Applichi l'integrale ₂ ^PdV

Sistema aperto: tieni conto del volume (con deflusso)=il lavoro viene dato da una variazione della pressione

punti quando entra nel sistema, saldo = segno positivo, il segno negativo quando raffreddo=–toglie quella poca probabilità che ha il sistema

per il lavoro computao dal sistema

Il lavoro funziona al contrario ¹ quando esce dal sistema, ² quando entra nel sistema.

avviene talmente piano che non porta scompensi

Altro concetto: differenza tra reversibile e irreversibile. Nella realtà tutti i procedi sono irreversibili, ma minore è l'irreversibilità maggiore sarà lo sfruttamento dell'energia elettrica, maggiore sarà il rendimento.

In un processo irreversibile ci prende per mano, più lavoro esce allora è meno

La perseverai, dei quaini non è ra erattemen co m ei

Ciclo orario quando produce lavoro (macchine termiche). Macchine frigorifere il verso del diagramma pu sarà antiorario.

TRASFORMAZIONI DEI GAS IDEALI

Ragionamenti d'ora in poi aria e fumi di combustione. Fluido termovettore = sostanza idonea a trasportare calore. Equazioni di stato dei gas ideali: p V = nRT Aria è considerabile un gas ideale con un errore dell'1% sui calcoli quindi è inutile mettere molte cifre significative.

Esperienza di Joule-Thomson - prendono 2 contenitori indeformabili, diatermici (fatti con materiale che permette facilmente lo scambio di calore), questi sono separati da un rubinetto. In uno c'è un gas monoatomico, che può venire con- siderato ideale e nell'altro c'è il vuoto. Mettiamo tutto il blocco nei calorime- tro (scambia poco calore per far aumentare la temperatura)—a temperatura che fa da spo. Tutto ciò non sistema isolato → non scambia con l'ambiente né calore né temperatura. Apri il rubinetto → il gas occupa tutto e due, quindi il volume è V1+V2, la pressione è diminuita e la temperatura non è cambiata quindi dQ = 0 e L = 0 e per il primo principio di equivalence che ΔU = 0 quindi l'energia interna può dipendere solo dalla temperatura.

Seconda legge dei gas ideali: l'energia interna può venire espressa in funzione solo della temperatura.

Variazione di energia interna (↑ temperatura + energia interna): du = cvdT per i sistemi chiusi

In un sistema aperto → vedi ripetendo l'esperimento che l'entalpia è solo funzione della temperatura.

Rapporto tra il calore specifico a pressione e a volume costante: c_pdT = d (u + pV ) = cvdT + RdT semplificando dT Quindi c_p = Cv + R

_cp = k = ognuno valori tipici della tipologia c_v di gas

comportamento dell'aria tra 223,15 K e 800 K è pressoché lineare buon fluido termovettore

Partendo da temperature basse l'aria la scaldi molto velocemente e con molta energia.

Lavoro in una trasformazione isocora (e il volume non cambia)

1. _P1 ^P₂ = T₁

2. T₂

se il sistema è chiuso il lavoro è nullo (L = 0) e il calorico dQ servirà per modificare dU. CdQ=dU.

se il sistema è aperto L₁₂ = -V (P₂ - P₁)