Appunti di Fisica Generale - Termodinamica/Elettromagnetismo

TERMODINAMICA

TERMODINAMICA

a)

Cosa si intende per sistema termodinamico, ambiente e universo

Per sistema termodinamico si intende un qualcosa che è oggetto del nostro studio. Questo qualcosa può trasferire calore (trasferimento di energia a livello microscopico) oppure compiere lavoro (trasferimento di energia a livello macroscopico). Per ambiente si intende tutto quell'insieme con cui il sistema interagisce.

L'insieme sistema più ambiente si chiama universo termodinamico in senso locale.

b)

Cosa si intende per sistema aperto, chiuso e isolato

Se tra il sistema e l'ambiente avvengono scambi di energia e materia, il sistema è detto aperto.

Il sistema si dice chiuso se sono esclusi scambi di materia e si hanno solamente scambi di energia.

Il sistema è detto isolato se non avvengono scambi di energia e di materia con l'ambiente o con altri sistemi termodinamici.

L'universo termodinamico è da considerarsi un sistema isolato.

c)

Cosa si intende per equilibrio termodinamico

Lo stato termodinamico di un sistema è detto di equilibrio quando le variabili termodinamiche (volume, pressione, temperatura) che lo descrivono sono costanti nel tempo.

In questa condizione le variabili termodinamiche sono dette variabili di stato.

Per raggiungere l'equilibrio termodinamico devono essere realizzate contemporaneamente:

• equilibrio meccanico: equilibrio di forze e momenti;
• equilibrio chimico: non avvengono reazioni chimiche;
• equilibrio termico: la temperatura è la stessa in tutto il sistema.

Precisando il concetto di equilibrio termico introducendo il seguente principio: due sistemi che sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo sistema sono in equilibrio termico tra loro.

4) Cos'è una trasformazione termodinamica

Dati due diversi stati di equilibrio termodinamico di uno stesso sistema, l'eventuale evoluzione del sistema dal primo al secondo stato, spontanea o a fronte di un'azione esterna dell'ambiente, si chiama trasformazione termodinamica.

5) Esperimento di Joule

Il calore non è altro che una forma di energia e quindi ha la stessa dimensione di un lavoro. Il primo ad aggiungere a questa convinzione fu Joule che loro il numero di Joule (Joule fece anche altri esperimenti, consistenti immerso in un fluido, compressione di un gas, spostamento due alzate meccaniche, che ritornano tutti al medesimo risultato).

Consideriamo oggi l'acqua chiusa in un recipiente aplicato colpito non scambia calore con l'ambiente) e delle pallette collegate ad un assale messo in rotazione da dei pesi.

Lasciamo poi andare, l'energia potenziale si dovrebbe tutta convertire in energia cinetica delle pallette, tuttavia Joule si accorse che non fu così, infatti osservò che la temperatura dell'acqua era aumentata quindi essendo il sistema isolato, concludere che parte dell'energia potenziale iniziale si è resa persa per aumentare la temperatura dell'acqua tramite l'attrito con le pallette.

Quindi Q = W → Q + W = 0

Gli altri esperimenti di Joule promuovono a un principio fondamentale ovvero che il calore spesso ci scambia proporzionalmente ad un aumento di temperatura per una costante di proporzionalità questo conferma l'indipendenza del lavoro dal tipo di trasformazione che congiunge due stati termodinamici.

6) Primo principio della termodinamica

Se il sistema compie una trasformazione dallo stato A allo stato B, scambiando calore e lavoro con l'ambiente, Q e W dipendono dalla trasformazione che congiunge i due stati; mentre la differenza Q-W risulta indipendente dalla trasformazione ed è dato dalla differenza dell'energia interna del sistema nei due stati.

Q-W = ΔU = UB-UA

Q = ΔU + W

Definiamo adesso l'energia interna che rappresenta una funzione di stato, ovvero funzione delle coordinate termodinamiche.

Consideriamo 3 stati termodinamici e le relative trasformazioni

Le 3 trasformazioni a, b, c sono caratterizzate da un certo calore scambiato e lavoro svolto. Tuttavia in una trasformazione ciclica

(Q-W)_a + (Q-W)_b + (Q-W)_c = 0

(Q-W)_b + (Q-W)_c = 0

(Q-W)_a + (Q-W)_c + (Q-W)_b- (Q-W)_c = 0

⇒ (Q-W)_a = (Q-W)_b

Se introduciamo adesso una funzione F e f(A, B) la cui una dipende solo dallo stato iniziale e finale partendo dallo stato S avremo

(Q-W)_a + f(S, A) ⇒ (Q-W)_b - f(S, A)

(Q-W)_b - f(S, A)

Dove f(S, B) - f(S, A) = f(A, B) = U(B) - U(A) = ΔU

Etcud dimostrati come la differenza di calore e lavoro di due stati termodinamici sia uguale alla variazione di energia interna

Convenzioni segno: se un sistema aggiunta calore Q >0, se cede Q <0, se fornisce (lavoro) W > 0, si richiede lavoro W < 0

7) TRASFORMAZIONI REVERSIBILI E IRREVERSIBILI

Una trasformazione è detta reversibile se essa avviene attraverso stati di equilibrio e in assenza di qualsiasi forza dissipativa.

Una trasformazione è detta irreversibil