Appunti di fisica tecnica

Sistemi Termodinamici

Sistema: Per Sistema si intende qualcosa che è oggetto di studio. Tutto ciò che è esterno al Sistema è l'ambiente, da cui il Sistema è separato da un confine.

• Sistema Chiuso: Si parla di Sistema chiuso quando il Sistema non può compiere scambi di materia con l'ambiente.
• Sistema Aperto: Si parla di Sistema aperto/volume di controllo quando il Sistema permette scambi di materia con l'ambiente.
• Sistema Isolato: Si parla di Sistema isolato quando il Sistema non permette interazioni di alcun tipo con l'ambiente.

Universo Termodinamico: Si definisce universo termodinamico l'insieme di Sistema + ambiente.

Proprietà: Una proprietà è una caratteristica macroscopica di un Sistema alla quale può essere associato un valore numerico, in ogni istante senza bisogno di conoscerne la "storia" precedente del Sistema.

Stato di Un Sistema: Si definisce stato di un Sistema una condizione del Sistema descritta dalle sue proprietà. In generale le proprietà di un Sistema non sono tutte indipendenti tra loro e quindi uno stato può essere individuato solo da un sottoinsieme delle proprietà.

Quando qualcuna delle proprietà del Sistema cambia, si dice che il Sistema ha eseguito un processo, ossia una trasformazione da uno stato a un altro.

Ciclo Termodinamico: Si dice che un Sistema esegue un ciclo termodinamico se esegue una serie di processi che iniziano o terminano nello stesso stato, ossia il Sistema ha le stesse proprietà all'inizio e alla fine del ciclo.

Si può quindi dire che una proprietà dipende solo dai stati iniziali e finali di una trasformazione, ma non dalla particolare trasformazione.

PROPRIETA' INTENSIVE O ESTENSIVE: Una proprieta' si dice estensiva se il suo valore per un sistema e' la somma dei suoi valori assunti nelle varie parti da cui puo' essere formato il sistema, dipendono dall'estensivo del sistema. Una proprieta' si dice intensiva se non e' additiva nel senso precedente e' indipendente dall'estensione del sistema.

FASE E SOSTANZE PURE: per fase si intende una quantita' di materiale omogenea per composizione chimica e struttura fisica. Una sostanza pura e' una quantita' di materia uniforme e invariabile in composizione chimica, puo' essers formata da piu' fasi.

EQUILIBRIO: un sistema si dice in equilibrio se il valore delle sue proprieta' resta costante nel tempo, se il sistema non viene perturbato.

PROCESSO REALE E PROCESSO IDEALE: in un processo reale, tranne in stati di equilibrio, le proprieta' del sistema durante il processo non sono determinabili percio' in tal processo il sistema non e' in equilibrio, in un processo ideale o quasi-statico, si puo' assumere che il sistema passi da infiniti stati infinitesimali, e' equilibrio, e resta ben definito le sue proprieta'.

EQUILIBRIO TERMICO: si dice che due corpi sono in equilibrio termico tra loro se presentano la stessa temperatura.

PROCESSO ADIABATICO: un processo in cui il sistema non effettua interazioni termiche con l'ambiente (non scambia col suo contorno energia calorica).

PROCESSO ISOTERMICO: processo che avviene a temperatura costante.

PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA: i due corpi posti a contatto termico raggiungono dopo un certo tempo l'equilibrio termico.

Due corpi in equilibrio termico con un terzo corpo sono in equilibrio termico tra loro.

SORGENTE: si dice sorgente o termostato un sistema che cede o assorbe calore senza modificare in pratica la temperatura.

Il lavoro L scambiato ma sistema si può esprimere come lavoro dovuto alla massa entrante/uscente e altri lavori di altro tipo che avvengono al confine L_c.v. + L_altri, essendo L_c.v. il lavoro di altro tipo e L_massa lavoro dovuto alla massa, risulta:

L_massa = m_ep_ev_e - m_iP_iV

Essendo p la pressione dello masso e V il loro volume specifico, quindi:

dE_c.v. / dt = Q^• - L^•_c.v. + Σm^•_i (h_i + v_i²/2 + gz_i) - Σm_e^• (h_e + v_e²/2 + gz_e)

Essendo h = u + pV l'entalpia specifica dello massa.

In regime stazionario è dE_c.v. / dt = 0 e Σm^•_i = Σm_e^• = ṁ, quindi supponendo una sola entrata e uscita:

q^• / ṁ - l^• / ṁ = (h_e - h_i) + 1/2 (v_e² - v_i²) + g (z_e - z_i)

FASI E SOSTANZE PURE

SOSTANZA PURA: Una sostanza pura è un sistema caratterizzato da composizione chimica invariabile in tutto il sistema in esame.

FASE: Si definisce fase di un sistema l'insieme di tutte le porzioni del sistema che presentano identiche proprietà. Un sistema costituito da più fasi si dice eterogeneo, da una sola fase omogeneo.

REGOLA DELLE FASI: Si definisce varianza (o numero di gradi di libertà) di un sistema, il numero di parametri fisici intensivi che possono essere variati indipendentemente senza che il sistema esca dall'equilibrio in cui si trova. Vale la regola di Gibbs: V = C - f + 2, essendo V la varianza, C il numero di componenti del sistema, f il numero di fasi presenti.

SATURAZIONE: Più fasi diverse, in equilibrio tra loro, vengono dette in condizioni di saturazione e ciascuna fase è detta satura. Si parla per esempio di liquido saturo in equilibrio con il suo vapore saturo. Le proprietà delle varie fasi in questi stati di equilibrio vengono dette proprietà di saturazione. Negli stati di equilibrio liquido-vapore la temperatura e pressione di saturazione delle due fasi sono identiche, le altre proprietà intensive sono in genere diverse (volume specifico, entalpia specifica, entropia...).

DIAGRAMMI DI STATO

SISTEMA SEMPLICE: Un sistema semplice è un sistema costituito da una sostanza pura il cui stato termodinamico è individuabile mediante 2 proprietà intensive indipendenti. Qualora queste proprietà possano essere scelte tra P, V, T allora si parla di sistema semplice comprimibile. P, V, T possono essere messe in relazione di dipendenza tra loro da una equazione di stato f(P,V,T) = 0 chiamato superficie di stato in uno spazio cartesiano a tre dimensioni.

Uso di tabelle:

Per i liquidi, avendo specifico calore c dipendente solo da T, e quindi pure h, u, s, allora, a ogni data temperatura T, le proprietà interne di un liquido coincidono con le proprietà del liquido saturo alla medesima temperatura, essendo queste ultime tabulate nelle tabelle dei vapori saturi.

Solidi

Anche per i solidi valgono le ipotesi di incomprimibilità, volume specifico molto piccolo, calore specifico costante, quindi:

Δu = Δh = c Δt

Inoltre, se si vuole conoscere le proprietà interne a una certa temperatura, preso come riferimento la temperatura T₀ (punto triplo per l'acqua), in cui u₀=s₀=h₀=0, si usa:

μ = h = λ + c (T-T₀)

s = _λ/_T0 + c ln_T/_T0

essendo λ il calore latente di solidificazione (negativo).