Appunti Fisica T-B

FISICA GENERALE: T.P.

TERMODINAMICA:

Descrizione macroscopica dell’interazione di un sistema con l’ambiente

Def: Termodinamica:

Branca della fisica che studia il comportamento e le proprietà della materia quando in essi si verificano scambi di energia sotto forma di lavoro e calore con l’ambiente esterno in condizioni determinate da grandezze fisiche macroscopiche.

Sistemi termodinamici e concetti base della termodinamica:

• Sistema termodinamico: Porzione finita di materia separata dall’ambiente circostante da una superficie definita (reale o ideale).
• Proprietà del sistema termodinamico:
  • Il sistema e l’ambiente circostante possono interagire tra loro mediante scambi di energia che determinano lo stato termodinamico del sistema.
  • Caratterizzato da grandezze macroscopiche che si possono misurare e che rappresentano l’adronista* generale del sistema.
  • L’evoluzione del sistema nel tempo.

• Tipologie di sistemi termodinamici:
  1. Aperto: si ha lo scambio di energia e materia
  2. Chiuso: si ha solo lo scambio di energia
  3. Isolato: non si ha alcuno scambio né di materia né di energia con l'esterno
  4. Adiabatico: non scambi di calore implicato

Complessi di sistemi dipende:

• Numero di sostanze chimiche in cui può essere suddiviso
• Numero di grandezze macroscopiche necessarie per la caratterizzazione del sistema.

Fasi della materia:

Possibili stati fisici:

• Solido
• Liquido
• Gassoso

A prescindere dalla fase della materia tutte le particelle sono sempre in un continuo movimento reciproco

Agitazione termica:

È l'espressione dell’energia cinetica media delle particelle che compongono la materia e dunque della temperatura.

Relazione tra energia cinetica e temperatura:

K_media = ³/₂ k T

Dove k è la costante di Boltzmann

Sistema omogeneo: Sistemi formati da un’unica fase che perciò si manifesta ugualmente in ogni punto.

Sistema complesso: Si costituisce da regioni omogenee separate da confini netti.

Passaggi di Stato:

• Fusione
• Solidificazione
• Evaporazione
• Condensazione
• Sublimazione
• Brinamento

Grandezze Macroscopiche:

Un sistema termodinamico può essere descritto con grandezze indipendenti dette variabili termodinamiche.

• Esse si caratterizzano per:
  • Essere definite in tutti i punti del sistema
  • Essere misurabili in tutti i punti del sistema

Ogni grandezza gode di entrambe queste proprietà ed è detta:

Variabile di stato.

Equilibrio Termodinamico e Principio Zero della Termodinamica:

Condizione in cui si hanno contemporaneamente:

1. Equilibrio Meccanico:
   • ∑ F_est = 0
   • ∑ τ_tot = 0
2. Equilibrio Chimico: le concentrazioni delle specie chimiche in una reazione non variano nel tempo.
3. Equilibrio Termico: le variabili di stato sono costanti.

Due sistemi A e B sono in equilibrio termico se, quando vengono posti a contatto tramite una parete diatermica, le loro variabili di stato non mutano.

Parete diatermica: parete che facilita l'interazione termica (ossia temperatura).

Sistemi Separati → Passaggio di calore da A a B → Equilibrio termico raggiunto.

"Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono in equilibrio termico fra di loro."

Quindi, siano tre sistemi S₁, S₂ e S₃ e si abbia:

• S₁ in eq. term. con S₂
• S₂ in eq. term. con S₃

Allora S₁, S₂ e S₃ sono in eq. termico fra di loro.

• Il concetto di temperatura è intimamente connesso allo stato di equilibrio termico con un altro sistema, il più quindi affermare che:
• Due sistemi in equilibrio hanno la medesima temperatura.

Temperatura e Termometro:

Misura dello stato di agitazione delle entità microscopiche di un sistema.

Termometro:

• Utilizzato per qualsiasi congegno o sistema che venga utilizzato per connettere i valori di una delle variabili di stato alla temperatura.

Osservazione: Condizioni Necessarie per la Reversibilità di un Sistema

1. La trasformazione che subisce il sistema deve essere quasi-statica
2. Non devono essere presenti forze dissipative

Osservazione: Ogni processo reale ha un certo grado di irreversibilità. Tutti possono sempre presentare alcune forze dissipative.

Natura dello Squilibrio Termodinamico

1. Squilibrio meccanico: Differenza finita di pressione fra sistema e ambiente
2. Squilibrio termico: Differenza di temperatura fra sistema e ambiente
3. Squilibrio chimico: Differenza di densità e di concentrazione nelle varie parti del sistema

Esempio: Trasformazione quasi-statica dovuta ad uno squilibrio di pressione.

Piano di Clapeyron: Piano cartesiano pressione-volume utile a visualizzare i diversi tipi di trasformazione.

• Se la trasformazione rappresentata non è quasi-statica, è possibile definire unicamente i punti di partenza e di arrivo.
• Ovvero si avesse una trasformazione quasi-statica, invece di due rappresenterebbe una curva continua.

Tipologie di Trasformazioni Quasi-Statiche

• Trasformazione a pressione costante: Isobara

P = cost

• Trasformazione a volume costante: Isocora

V = cost

• Trasformazione a temperatura costante: Isoterma

T = cost

Sommiano e sottraiamo ora (C_v/R) . PδV:

δQ = C_v VδP / R + C_p δV = C_v PδV / R - C_v PδV / R = C_p VδP + (C_p - C_v) PδV

Osservando a che cosa equivale questa parentesi:

1/R (VδP + PδV) <=> nRδT = VδP + PδV

Sostituiano infine tale termine, ottenendo:

δQ = nC_v δT - C_p - C_v PδV R

Analisi:

• 1^o Termine: nC_v δT → esprime la variazione di temperatura.
• 2^o Termine: (C_p - C_v) P

Conclusioni che:

• δQ = 0 <=> δP = 0 δT = φ
• Quindi è necessario una variazionella nella temperatura o nel volume perché si abbia una trasformazione di calore (Q).

Equazione Adiabatica dei Gas Perfetti

δQ = C_v VδP - C_p PδV R

Ora, poiché siamo difronte ad una trasformazione adiabatica

δQ = 0 = C_v VδP - C_p PδV R

Dividiamo ora per C_v:

C_v VδP + C_v C_p PδV

Interno ora entrambi i membri:

∫ dP / P + ∫ dV / V = log P + log V = ln (PV)^γ = 0

La condizione è quindi PV = cost con γ = C_p

* oss: tale scrittura è equivalente a ^nRT_V^γ

Trasformazioni Politropiche

Le trasformazioni isoterme e le trasformazioni adiabatiche (quasi-statiche) e in cui i gas difetto fanno parte di una classe di trasformazioni che avvengono attraverso stati che osservano dal punto di vista delle condizioni la seguente equazione:

PVⁿ = cost

Si possono quindi distinguere alcuni casi:

• γ = 0 → trasformazione isoterma (T = cost)
• γ = 1 → trasformazione isobara (P = cost)
• >^nRT_V^γ

Trasmissione di Calore

Il trasferimento di calore tra un sistema termodinamico e l'ambiente circostante può avvenire mediante . Esse sono:

• Conduzione.
• Convezione.
• Irraggiamento.