Riassunto esame Fisica tecnica, Prof. Mistretta Marina, libro consigliato Fisica tecnica ambientale, Yunus A. Cengel, Giuliano dall'o, Luca Sarto

SI DISTINGUONO TRE TIPI DI TRASFORMAZIONE:

TRASFORMAZIONE ISOTERMA = in cui rimane costante la temperatura. Il prefisso -iso indica una trasformazione

TRASFORMAZIONE ISOBARA = in cui rimane costante la pressione. in cui una certa proprietà rimane

costante.

TRASFORMAZIONE ISOCORA = in cui rimane costante in volume.

Le trasformazioni si possono descrivere attraverso i diagrammi di stato le cui coordinate sono le proprietà

termodinamiche: volume V, pressione P.

LAVORO: energia trasferita quando c’è una forza che determina uno spostamento L=Fs

LAVORO TERMODINAMICO: lavoro compiuto da un fluido quando subisce una trasformazione di espansione (lavoro

positivo) o di compressione (lavoro negativo).

Se consideriamo un gas racchiuso all’interno di un recipiente dotato di pistone; se scaldiamo il sistema, vi sarà un

aumento del volume del sistema, e un conseguente innalzamento del pistone.

In questo caso, il sistema sta compiendo un lavoro positivo.

Se, invece, comprimiamo il pistone, facendo diminuire il volume del gas, allora il lavoro sarà negativo.

In generale, possiamo esprimere il valore del lavoro che viene compiuto come prodotto della pressione del gas per la

variazione di volume che esso subisce: L = p ∆V

Quindi, il lavoro risulta positivo se la trasformazione comporta un aumento di volume (espansione), negativo in caso

contrario (compressione).

In un diagramma p-V il lavoro di espansione/compressione di un gas è espresso dall’area sottesa dalla linea che indica

la trasformazione sull’asse delle ascisse.

Per tracciare graficamente con una linea una trasformazione, si deve considerare come una successione di infiniti stati

di equilibrio. Ogni stato sarà rappresentato da un punto nel piano p-V.

Notiamo, quindi, che nel caso delle trasformazioni isocore, in cui si ha ∆V = 0, effettivamente non è possibile calcolare

tale area, che risulterà quindi pari a zero.

Nel caso di una trasformazione ciclica, cioè una trasformazione per cui lo stato iniziale del sistema corrisponde allo

stato finale, il sistema subisce sia una fase di compressione, sia una fase di espansione; a queste due fasi

corrispondono, rispettivamente, un lavoro negativo e un lavoro positivo; calcolando la loro somma otterremo il lavoro

complessivo.

Rappresentando la situazione in un grafico pressione-volume notiamo che il lavoro finale è dato dall’area della regione

racchiusa all’interno del grafico; questa è ottenuta come differenza delle aree della parte superiore (cioè della

espansione) e della parte inferiore (cioè della compressione) del grafico.

Se la trasformazione avviene in senso orario il lavoro è positivo; se p diminuisce e V aumenta L è positivo.

Se la trasformazione avviene in senso antiorario il lavoro è negativo; se p aumenta e V diminuisce L è negativo.

CALORE E LAVORO sono forme di energia che attraversano i confini di un sistema.

:

Il sistema però possiede energia ma non calore e lavoro: entrambi, infatti, sono associati a un processo ma non ad uno

stato.

Sono funzioni di linea e non di stato, cioè la loro grandezza dipende dal percorso seguito durante una trasformazione.

CALORE: forma di energia che si trasferisce tra due sistemi o tra sistema e ambiente in virtù di una differenza di

temperatura (si scambia per differenza di temperatura tra sistema e ambiente)

Il calore si trasmette tramite conduzione, convenzione e irraggiamento.

- Conduzione termica è il trasferimento di energia delle particelle più energetiche di una sostanza alle particelle

adiacenti meno energetiche in conseguenza all’interpolazione tra particelle.

- Convenzione termica è il trasferimento di energia tra una superficie solida e il fluido adiacente in moto e

implica gli effetti combinati della conduzione e del moto fluido.

- Irraggiamento termico è il trasferimento di energia dovuto all’emissione di onde elettromagnetiche.

CALORE SPECIFICO: il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per variare la temperatura di

1 kg di sostanza di 1 K (DT = 1): Da cui:

Δ

Se T > 0 Q > 0, pertanto la sostanza si riscalda

Δ

Se T < 0 Q < 0, pertanto la sostanza si raffredda

Osservazioni:

1. Si considerino due masse di una stessa sostanza (il calore specifico è lo stesso perché è una proprietà della sostanza

Δ

e non della massa) e si supponga di volerle riscaldare (o raffreddare) entrambe dello stesso T, allora la quantità di

calore Q che occorre fornire è direttamente proporzionale alla massa maggiore, cioè si deve fornire più calore per

riscaldare la massa più grande.

Δ

2. A parità di massa e di T, tanto maggiore è il calore specifico tanto maggiore è la quantità di calore Q necessaria per

indurre la variazione di temperatura desiderata.

LAVORO: come il calore, è un’interazione di energia tra un sistema e l’ambiente. È il trasferimento di energia associato

all’effetto fi una forza per uno spostamento (L=Fs)

CAPACITÀ TERMICA: in un processo termodinamico il comportamento del sistema è condizionato dalla sua capacità

termica che si definisce come la quantità di calore scambiata da un sistema durante una trasformazione per unità di

variazione di temperatura.

calore/variazione di temperatura

ENERGIA: capacità di un sistema di compiere lavoro (di evolversi da uno stato ad un altro).

FORME DI ENERGIA: in un sistema la somma di tutte le forme di energia è detta energia totale E del sistema; infatti,

la termodinamica studia i cambiamenti dell’energia totale.

L’energia è una proprietà termodinamica estensiva, che gode della proprietà additiva, e conservativa.

1 2

= + + = + +

2

= ′

energia totale di un sistema riferita all unitàdi masssa

- L’energia totale di un sistema può essere immagazzinata nel sistema e può essere vista come somma di forme

di energia statiche (di stato).

- Le forme di energia non immagazzinate possono essere viste come forme dinamiche di energia o di

interazione.

- Le forme dinamiche di energia possono essere individuate al confine del sistema quando lo attraversano e

rappresentano l’energia guadagnata o perduta dal sistema durante un processo.

- Le forme dinamiche di energia associate a un sistema chiuso sono solo due: calore e lavoro.

POSTULATO DELL’ENERGIA: l’energia non può essere generata né distrutta.

Questo vuol dire che durante una trasformazione, cioè un processo in cui il sistema termodinamico scambia calore e

lavoro, l’energia totale del sistema si converte da una forma ad un’altra, me né si genera ne si distrugge.

Se l’energia diminuisce, la quantità di energia che non c’è più nel sistema non si distrugge ma è passata ad un altro

sistema o viene ceduta all’ambiente sotto forma di calore o lavoro, andando a variare l’energia totale del sistema. Allo

stesso modo se c’è aumento di energia, questa non si è creata nel sistema ma viene dall’ambiente sotto forma di

lavoro o calore, perché c’è stata una sollecitazione termica o meccanica.

Se il sistema è sottoposto ad una sollecitazione termica o meccanica, questo subisce una trasformazione, cioè passa

da uno stato di equilibrio iniziale a uno stato di equilibrio finale, dopo aver scambiato calore e/o lavoro e quindi la sua

energia totale E varia, aumenta o diminuisce dopo aver scambiato calore.

Per un sistema chiuso non ci sono flussi di massa, ma solo calore Q e lavoro L

( (

∆ = − = − ) + − ) = +

BILANCIO DI ENERGIA PER SISTEMI CHIUSI

Il lavoro fatto su un sistema adiabatico (Q=0) è uguale all’aumento di energia totale del sistema (=al lavoro in entrata,

∆ = 10)

quindi se L=10J allora ∆ = − =

BILANCIO DI ENERGIA PER SISTEMA ADIABATICO

MECCANISMI DI TRASFERIMENTO DELL’ENERGIA

L’energia è una proprietà estensiva di un sistema e può variare secondo tre modalità:

1. Modalità calore = si parla di un’energia trasmessa sotto forma di calore se la causa è una differenza di

temperatura.

2. Modalità di lavoro = si parla di energia trasmessa sotto forma di lavoro se la causa è l’azione di una forza (P

pressione) risultante diversa da essa.

3. A seguito di un trasferimento di massa non realizzabile in un sistema chiuso.

Si classificano varie forme di energia che costituiscono l’energia totale di un sistema in due gruppi macroscopiche e

microscopiche.

FORME MICROSCOPICHE DI ENERGIA: relativa alla struttura molecolare del sistema, e sono indipendenti dal sistema

di riferimento esterno.

FORME MACROSCOPICHE DI ENERGIA: forme di energia posseduta da un sistema rispetto a un sistema di riferimento

esterno (energia cinetica e potenziale).

L’energia macroscopica di un sistema è legata al movimento e all’influenza di alcuni fenomeni esterni come la gravità,

il magnetismo, l’elettricità e la tensione superficiale.

ENERGIA INTERNA U: è la somma di tutte le forme microscopiche di energia.

U = Sensibile + Latente + Chimica+ Nucleare

Energia Sensibile: Parte di energia interna di un sistema associata all’energia cinetica delle molecole.

Energia Latente: Parte di energia interna di un sistema associata alla fase del sistema.

Energia Chimica: Parte di energia interna di un sistema associata ai legami molecolari.

Energia nucleare: Parte di energia interna di un sistema associata ai forti legami tra i nuclei dell’atomo.

Queste forme di energia sono considerate forme statiche di energia.

ENERGIA CINETICA Ec: energia che un sistema possiede per effetto del suo moto, rispetto a un sistema di riferimento

(energia posseduta dai corpi in movimento). 1 2

= (KJ)

2

1 2

= × (KJ/Kg)

2

per unità di massa

ENERGIA POTENZIALE Ep: energia che un sistema possiede per effetto della sua quota in un campo gravitazionale.

(energia posseduta dai corpi posti a una certa altezza dal suolo).

= (kJ)

=

per unità di massa

SISTEMI STAZIONARI: sistemi chiusi, la cui velocità e quota del centro di massa restano costanti durante una

trasformazione.

La variazione di energia totale di un sistema stazionario coincide con la variazione di energia interna.

∆ = ∆

PORTATA MASSICA: è per definizione la quantità di massa che fluisce attraverso una sezione trasversale nell’unità di

tempo.

PORTATA VOLUMETRIC