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TERMODINAMICA

La termodinamica è quella parte della fisica che riguarda gli scambi di energia fra sistemi;

la termochimica ne costituisce un capitolo, ma si limita ad affermare il principio di

conservazione dell’energia, mentre non dice nulla ne’ sulla dei vari tipi di energia,

qualità

ne’ sulla in cui si evolvono spontaneamente i processi. In questa parte si

direzione

cercherà di capire qual è la spinta che fa sì che un dato processo si evolva

spontaneamente in un dato modo e sotto quali vincoli le diverse forme di energia possono

trasformarsi l’una nell’altra.

Reversibilità e spontaneità.

Si dice una trasformazione che avviene nel senso indicato senza interventi

spontanea

dall’esterno. E’ esperienza comune che vi sono trasformazioni che avvengono

spontaneamente in tutti i casi (es. combustione del carbone, espansione di un gas) e

trasformazioni che non possono mai avvenire spontaneamente (es. compressione di un

gas, decomposizione di CO in C + O ), e inoltre vi sono trasformazioni che avvengono

2 2

spontaneamente in certe condizioni (es. di temperatura e pressione) e non in altre. Il più

semplice tentativo di razionalizzazione di questi comportamenti potrebbe essere che le

reazioni spontanee siano quelle esotermiche, che cioè avvengono con cessione verso

l’esterno di energia termica. In realtà, benchè molte reazioni esotermiche siano

spontanee, almeno in condizioni ambiente, ciò non è necessariamente vero: ad es. in

condizioni ambiente è spontanea la fusione del ghiaccio, che è endotermica. E’ allora

interessante stabilire come prevedere se e in quali condizioni una data trasformazione

potrà essere spontanea, sia per progettare le condizioni migliori in cui farla avvenire col

massimo rendimento (nel caso, ad es., che si voglia preparare industrialmente una data

sostanza). sia per mettersi nelle condizioni migliori per impedirla, quando sia

indesiderabile (es. esplosioni, corrosione dei metalli ecc.). Va considerato un concetto

importante: ogni fenomeno è caratterizzato da due aspetti, quello cinetico - la sua

velocità - e quello termodinamico - la possibilità che avvenga dal punto di vista

energetico - e questi due aspetti non vanno mai confusi. Occorre sempre valutare

preliminarmente l’aspetto termodinamico; una volta stabilita la possibilità che un processo

avvenga, si può passare a considerarne la velocità. In questo capitolo e in tutti quelli

riguardanti gli equilibri si tratterà l’aspetto termodinamico; riguardo alla velocità, si vedrà

poi la Cinetica.

Finora si è parlato delle trasformazioni dal punto di vista dei prodotti che se ne possono

ottenere, ma in molti casi l’interesse principale di una trasformazione riguarda il suo

bilancio energetico; la termodinamica riguarda anche i limiti entro cui le varie forme di

energia possono essere trasformate le une nelle altre, e il rendimento ottenibile.

Dato che calore e lavoro non sono funzioni di stato (vedi Termochimica), la spontaneità

delle trasformazioni che coinvolgono scambi di calore e di lavoro dipende dal modo in cui

le trasformazioni stesse vengono effettuate. In particolare, si distingue fra trasformazioni

e una trasformazione reversibile avviene attraverso infiniti stati di

reversibili irreversibili;

quasi equilibrio, e quindi richiede in teoria un tempo infinito per avvenire. Il concetto di

trasformazione reversibile è un concetto limite; più una trasformazione avviene in

condizioni che si avvicinano a questo limite, e maggiore sarà il suo rendimento energetico.

Il secondo principio della termodinamica. cioè

Questo fondamentale principio può essere enunciato in moltissimi modi equivalenti,

dimostrabili l’uno a partire dall’altro, ciascuno dei quali mette in luce una delle diverse

basilari implicazioni di questa legge.

1) NON E’ POSSIBILE REALIZZARE UNA TRASFORMAZIONE IL CUI SOLO

RISULTATO SIA L’ASSORBIMENTO DI CALORE DA UNA RISERVA TERMICA E LA

SUA CONVERSIONE IN LAVORO.

COMPLETA

Mentre è possibile convertire completamente lavoro in calore, al tasso di conversione di

4,184 J/cal (ad esempio l’energia cinetica di un corpo in movimento può essere

completamente dissipata in calore attraverso gli attriti, finchè il corpo si ferma), non è

possibile il contrario, in quanto è necessaria la presenza di una seconda sorgente di

calore, a temperatura inferiore alla prima, alla quale trasferire parte del calore.

SI

NO LAVORO

LAVORO

In base a questo enunciato, non è ad esempio possibile far viaggiare una nave sfruttando

l’energia contenuta nel mare, che è un immenso serbatoio di calore, perché quell’energia

sarebbe comunque sfruttabile solo a patto di consumarne una parte per scaldare un

serbatoio di calore a T inferiore (nel caso specifico a T < ambiente). Il significato di questo

enunciato, in definitiva, è che, se si vuole utilizzare una certa quantità di energia,

disponibile sotto forma di energia termica, per poterlo fare è necessario pagare una

“tassa” energetica, dissipando parte di questa stessa energia per scaldare qualcos’altro,

che di solito è l’ambiente. Quindi, ogni volta che trasformiamo una qualche forma di

energia, come l’energia chimica immagazzinata nei combustibili fossili, in energia termica

per poi utilizzare quest’ultima in una macchina termica per produrre lavoro meccanico, il

processo complessivo dissipa buona parte dell’energia utilizzata, per motivi intrinseci e

non eliminabili.

2) NON E’ POSSIBILE REALIZZARE UNA TRASFORMAZIONE IL CUI SOLO

RISULTATO SIA IL TRASFERIMENTO DI ENERGIA DA UN CORPO FREDDO AD

UNO PIU’ CALDO.

Questo dato di fatto fa parte dell’esperienza quotidiana: mettendo a contatto due corpi a

temperatura diversa, il calore fluisce liberamente dal più caldo al più freddo, finché si

arriva all’equilibrio termico e i due corpi si trovano entrambi alla stessa temperatura,

intermedia fra quelle iniziali. E’ naturalmente possibile trasferire calore da un corpo freddo

ad uno più caldo, come avviene nei frigoriferi, a patto però di spendere energia sotto

forma di lavoro per ottenere questa trasformazione.

LAVORO

NO SI

3) IL RENDIMENTO DI UNA MACCHINA TERMICA E’ SEMPRE < 1.

Un motore è una macchina che utilizza energia per compiere lavoro. Un motore termico

trasforma energia termica in lavoro. Questo tipo di motore, per l’enunciato 1), quando

compie lavoro deve anche cedere una certa quantità di calore all’ambiente. Consideriamo

come esempio di motore termico un pistone che si muove sotto la spinta di un gas

riscaldato che si espande. T > T T

2 1 1

T

1

E’ intuitivo che, una volta arrivati in posizione di massima espansione alla temperatura T ,

2

per ritornare alla posizione iniziale e riprendere il ciclo è necessario che il gas si raffreddi,

cedendo calore ad un altro corpo, che dev’essere più freddo per l’enunciato 2), in modo

da poter produrre ancora lavoro. Il rendimento di questa macchina si definisce come:

T2 - T

T1 1

RENDIMENTO = 1 - =

T2 T2

Si nota subito che quanto più vicine sono le due temperature, tanto più vicino a 0 è il

rendimento mentre quanto più T è vicina a 0 tanto più il rendimento è vicino a 1 (cioè al

1

100%): al limite, se T =0, tutto il calore viene trasformato in lavoro. Sulla possibilità che T

1 1

sia pari a 0 K, vedi in seguito (Terzo principio).

Esempio numerico: In una centrale termoelettrica, si usa vapore surriscaldato a circa

560°C (833 K) per azionare la turbina del generatore. Se la temperatura dell’acqua in

uscita è di 38°C (311 K), il rendimento, definito come sopra, è uguale a (833 - 311) : 833 =

0,63. Quindi il limite superiore teorico di rendimento di questa turbina è del 63%. In

pratica, a causa delle dispersioni e degli attriti, l’efficienza massima di una turbina a

vapore è solo di circa il 40%: ciò significa che, per ogni kg di combustibile utilizzata, 400 g

vengono utilizzate per produrre elettricità, mentre 600 g vanno a scaldare l’ambiente.

4) QUALUNQUE TRASFORMAZIONE SPONTANEA E’ ACCOMPAGNATA DA UN

AUMENTO DI ENTROPIA DELL’UNIVERSO (Q /T) = S

In una trasformazione dallo stato A allo stato B di un sistema, la grandezza rev

viene definita L’entropia è una funzione di stato che rappresenta il rapporto

ENTROPIA.

fra il calore scambiato durante la trasformazione condotta in maniera reversibile e la


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AUTORE

luca d.

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+1 anno fa


DETTAGLI
Esame: Chimica
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria meccanica
SSD:
Università: Bergamo - Unibg
A.A.: 2009-2010

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher luca d. di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Bergamo - Unibg o del prof Fontana Francesca.

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