Risposte alle domande di esame Fisica tecnica

FISICA TECNICA

01 - Cap1

- Termodinamica (applicata e dell'aria umida).

- Trasmissione di calore.

Scopi della termodinamica:

- Convertire energia termica in energia meccanica (più versatile e utilizzabile).

- Trasferire energia dai corpi più freddi a quelli più caldi (processo non spontaneo).

Cicli diretti a vapore e di sistemi motori a vapore.

Cicli diretti a gas di sistemi motori a gas. —

02 - Cap2P1

Sistema termodinamico: qualsiasi porzione di spazio o di materia scelta arbitrariamente il cui

con ne prende il nome di super cie di controllo (barriere siche, pareti, ma anche pareti ttizie,

messe per delimitare lo studio a una certa zona);

Ambiente esterno: con cui interagisce il sistema termodinamico, perciò in uisce sul sistema.

Termodinamica: studio dei vari movimenti energetici.

→

(a) Sistema cilindro-pistone pareti siche; sistema termodinamico chiuso (no scambio di

massa, scambio solo di energia); per avere uno scambio di lavoro almeno una super cie deve

essere mobile, se tutte invece sono rigide non si può avere scambio di energia meccanica; massa

costante (invariante, approccio della massa di controllo, una volta stabilita non varia mai), volume

variabile (perché una parete è mobile). →

(b) Divergente (o turbina con tratteggio) pareti ttizie; sistema termodinamico aperto (oltre a

poter scambiare calore e lavoro, scambia anche massa); volume costante (invariante, approccio

del volume di controllo), massa variabile; n ingressi, m uscite.

Super ci di controllo: tratteggiata.

Sistema isolato: non scambia massa, non scambia energia, pareti rigide, non scambia calore ed

energia.

La migliore descrizione del sistema termodinamico è quella fatta attraverso le proprietà siche del

uido che lo compone (pressione, volume speci co o densità, proprietà elettriche come

conduttività, proprietà ottiche come indice di rifrazione).

Sostanza pura: la formula chimica è quella, indipendentemente dallo suo stato.

Quando tutte le proprietà misurabili di un sistema hanno un valore sso e immutabile e quindi il

sistema stesso può essere caratterizzato da un insieme ben de nito di parametri numerici,

ciascuno preso con la sua unità di misura, si dice che il sistema è in uno stato termodinamico.

L'insieme di parametri del sistema de niti in uno speci co stato termodinamico costituiscono le

proprietà del sistema o le coordinate termodinamiche o le sue grandezze di stato.

Vanno considerate le proprietà indipendenti, escludendo quelle proprietà che sono mutuamente

legate (esempio: densità e volume speci co, ne basta solo una tra le due).

Il legame funzionale tra le proprietà indipendenti e quelle dipendenti prende il nome di equazione

di stato ed è determinata sperimentalmente partendo da dati di comportamento misurati in

laboratorio. 1

fl fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi

fi fl fi fi fi

Lo stato termodinamico presuppone che il sistema si trovi in condizioni di equilibrio, ovvero che

non si hanno scambi con l'ambiente esterno, è in equilibrio se non è possibile il passaggio

spontaneo ad un altro stato senza che si abbia una modi cazione spontanea anche nello stato

dell'ambiente esterno. Si ha equilibrio termodinamico quando il sistema è completamente in:

⁃ Equilibrio termico: temperatura uniforme e uguale sia nel sistema che nell'ambiente esterno;

⁃ Equilibrio meccanico: pressione uniforme nel sistema (si trascura l'e etto della gravità);

⁃ Equilibrio di fase: in un sistema multifase non si ha la tendenza al passaggio da una fase

all'altra;

⁃ Equilibrio chimico: quando la composizione chimica del sistema non varia, non si hanno

reazioni chimiche né fenomeni di di usione di specie chimiche da un punto all'altro di

sistema (spontanee o indotte).

Una proprietà acquista senso e signi cato solo quando il sistema è in equilibrio.

Grandezza di stato: indica come le proprietà siano direttamente correlate con lo stato

termodinamico.

Grandezza di scambio: de nita nel passaggio da uno stato di equilibrio ad un altro. Il sistema è in

divenire sta subendo un processo di trasformazione (calore e lavoro).

Una proprietà può essere misurata direttamente (p, T, d) o può essere ricavata da quelle

direttamente misurabili attraverso le relazioni introdotte con le equazioni di stato (energia interna,

entalpia, entropia).

Una combinazione lineare di proprietà è ancora una proprietà.

Proprietà estensive: proporzionali o relazionabili alla massa (massa, volume, energia interna), può

essere divisa per la massa per essere speci ca relativa a quella proprietà estensiva.

Proprietà intensive: hanno un valore indipendente dalla massa (temperatura, pressione, densità,

concentrazione chimica, velocità).

Ripercussioni matematiche sul comportamento rispetto alle loro derivate delle grandezze di stato.

→

T = T(p,V) dz = M • dx + N • dy, dove M e N possono essere costanti o in funzione di x e y

Di erenziale esatto dal punto di vista sico:

(1) il valore dell'integrale dalla posizione 1 alla posizione 2 di dz è indipendente dal percorso 1-2:

1∫2 dz = z2 - z1 = Δz (è una di erenza)

(2) la circuitazione è nulla (percorso ciclico): ∫O dz = 0, in un percorso ciclico lo stato

termodinamico iniziale e quello nale coincidono, la variazione della proprietà, che dipende

unicamente dallo stato iniziale e dallo stato nale, è pari a zero.

(3) la funzione (z) può venire determinata soltanto a meno di una costante additiva.

Trasformazione: de nita solo dallo stato iniziale e dallo stato nale.

Processo: de nito anche dal percorso fatto.

Trasformazione quasi-statica: il processo avviene attraverso una successione continua di stati di

equilibrio vicinissimi tra loro. 03 - Cap2P2

È un’astrazione, infatti una trasformazione quasi-statica avrebbe bisogno di tempi in niti per

passare attraverso stati di equilibrio successivi uno all’altro.

Trasformazioni reversibili: un processo è reversibile se è possibile riportare sia il sistema che

l’ambiente esterno esattamente alle stesse condizioni iniziali. Più la trasformazione avviene in

tempi più dilatati, più aumenta il concento di reversibile. Un processo reversibile deve essere

reversibile sia internamente (che avviene nel sistema termodinamico) che esternamente (ciò che

viene indotto nell’ambiente esterno dal sistema termodinamico).

Processo più lungo se la di erenza di temperatura è piccola: per ottenere trasformazioni quasi-

statiche si riduce il più possibile la di erenza di temperatura (ΔT che tende a 0), ma allo stesso

tempo se la di erenza di temperatura è piccola non si può avere scambio termico. 2

ff fi ff fi fi ff ff fi fi fi ff ff fi fi fi fi ff fi

I fattori che fanno discostare dall’idealità il processo sono: la di erenza di temperatura, legata alla

repentinità del processo, scambio termico più accentuato, e etti dissipativi (attrito o resistenza

elettrica, che diminuiscono la capacità di un sistema di scambiare lavoro con l’ambiente esterno).

Un processo reversibile deve essere per forza quasi-statico, mentre un processo quasi-statico

può anche non essere reversibile.

Piano termodinamico: è un qualsiasi piano cartesiano le cui coordinate siano rappresentate da

grandezze di stato. Il comportamento di un sistema può essere rappresentato su un piano

terminativo solo se il comportamento del sistema può essere descritto attraverso le sue proprietà.

Ciò è possibile solo se il sistema si trova in condizioni di equilibrio. Poiché una trasformazione

quasi-statica reversibile che unisca gli stati 1 e 2 è una successione di stati di equilibrio, essa può

essere rappresentata da una linea continua sul piano termodinamico. La linea continua prende il

nome di cammino della trasformazione. Una trasformazione irreversibile, invece, non può essere

rappresentata su un piano termodinamico.

Trasformazione ciclica o ciclo termodinamico: ha origine in un punto di equilibrio 1 e ne in punto

di equilibrio 2 che coincide con 1.

Equazione di bilancio di una proprietà estensiva: identi care il sistema termodinamico, identi care

la proprietà estensiva (P) di cui si vuole costruire il bilancio, ssare il tempo durante il quale si

vuole osservare il sistema (Δt).

- A primo membro tutte le quantità che contribuiscono ad accrescere il contenuto di (P) nel

sistema: quantità di (P) in entrata nel sistema, quantità di (P) generata nel sistema

- A secondo membro tutte le quantità che contribuiscono a diminuire il contenuto di (P) nel

sistema, più la di erenza di contenuto nel tempo di osservazione che dà conto della variazione

di (P): quantità di (P) in uscita dal sistema, quantità di (P) distrutta nel sistema, variazione del

contenuto di (P) nel sistema durante il tempo di osservazione, spesso indicato come termine di

accumulo (massa introdotta - massa che non viene fatta uscire)

Viene applicata alla massa (bilancio di massa), all’entalpia (1 principio della termodinamica,

bilancio di energia), all’entropia (2 principio della termodinamico, bilancio di entropia).

Equazione di bilancio di una proprietà estensiva: permette di tirare fuori una legge matematica, a

partire dal tracciamento di un processo in un diagramma; per costruirla si identi ca il sistema

termodinamico, si identi ca la proprietà estensiva P, di cui si vuole costruire il bilancio, si ssa il

tempo durante il quale si vuole osservare il sistema Δt. A primo membro tutte le quantità che

contribuiscono ad accrescere il contenuto di P nel sistema (quantità in entrata e generata nel

sistema); a secondo membro tutte le quantità che contribuiscono a diminuire il contenuto di P nel

sistema, più di erenze di contenuto nel tempo di osservazione che dà conto della variazione di P

(in uscita, distrutta o distrutta nel sistema, variazione del contenuto di P detto termine di

accumulo).

Equazione di bilancio della massa: in assenza di fenomeni relativistici, la massa è una grandezza

conservativa, cioè non si crea e non si distrugge. Studio del sistema aperto con l’approccio del

volume di controllo (VC), perché la massa potrebbe accumularsi all’interno ma il volume rimane lo

stesso.

Portata massica: massa che uisce nel sistema nell’unità di tempo.

Portata volumetrica: volume di uido che uisce nel sistema nell’unità di tempo. In generale la

portata volumetrica non è costante, rimane costante solo nel caso di uido la cui densità sia

costante ( uidi incomprimibili, liquidi). Ne segue che se il uido &egra