Domande e risposte Termodinamica

TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE

Si verifica una trasformazione termodinamica quando vengono meno le condizioni di equilibrio termodinamico di un sistema. Le trasformazioni possono essere irreversibili se non è possibile riportare il sistema allo stato iniziale, oppure reversibili se il sistema può essere riportato allo stato iniziale in modo che anche l'ambiente torni allo stato iniziale. Tutti i processi reali hanno un certo grado di irreversibilità. Perché si possa realizzare una trasformazione reversibile è necessario che la trasformazione sia quasi-statica e che durante la trasformazione non agiscano forze dissipative (impossibile in natura). Per avere una trasformazione termodinamica il sistema deve essere squilibrato e per studiarlo è necessario approssimare la trasformazione in modo che avvenga molto lentamente (al limite in tempo infinito), così il sistema ha la possibilità di riaggiustarsi continuamente e raggiungere stati chepossono essere considerati quasi all'equilibrio. In pratica perché una trasformazione sia quasi-statica è necessario che il sistema abbia una pressione che differisce istante per istante di una quantità infinitesima da quella dell'ambiente circostante. (Esperimento squilibrio meccanico del contenitore con il coperchio e i pesetti) Approssimando le trasformazioni a quasi statiche riusciamo a definire valori univoci delle coordinate termodinamiche per gli Stati di equilibrio termodinamico riuscendo così a rappresentarli graficamente con una curva continua nel piano [P, V], detto piano di Clapeyron, in cui ogni punto della curva corrisponde a uno stato del sistema. Nello specifico due stati di equilibrio termodinamico di un sistema possono essere collegati da trasformazioni di diverso tipo: - trasformazione a pressione costante -> isobare - trasformazione a volume costante -> isocore - trasformazione a temperatura costante -> isoterme - trasformazione incui il sistema è termicamente isolato -> adiabatiche (DISEGNA LECURVE)

1. IMPORTANZA DEI GAS PERFETTI (aggiungi teoria cinetica gas perfetti)

I gas tendono ad un comportamento comune quando la loro pressione tende a zero e la temperatura è molto maggiore di quella critica (al di sotto della quale il gas può liquefare).

L'interazione tra le molecole del gas può essere molto diversa tra un gas e l'altro, logicamente l'interazione molecolare diminuisce con la distanza perché ha un raggio d'azione molto limitato. In un volume fissato, riducendo il numero di molecole e quindi la pressione, la distanza media fra le molecole aumenta, di conseguenza le interazioni hanno un'intensità minore. Ma mano che la pressione continua a diminuire le interazioni diventano trascurabili e gas diversi tra loro perdono la propria identità comportandosi allo stesso modo.

I gas perfetti in natura non esistono ma rappresentano un modello a cui

Tende il comportamento dei gas a bassa pressione. Per studiarli è necessario conoscere l'equazione di Stato dei gas perfetti che è uguale a PV=NRT. Dove P è la pressione, V è il volume, n è il numero di moli, R è la costante universale dei gas e T è la temperatura in kelvin.

L'equazione di Stato dei gas perfetti è ottenuta dalla combinazione delle leggi:

1. Leggi di Avogadro: 1) una mole di qualsiasi sostanza contiene NA = 6.02 x 10²³ molecole -> NUMERO DIAVOGADRO
2. Volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole -> lo stesso numero n di moli.

Dalle leggi riportate si ottiene:

• Boyle -> V (1/P) (n, T cost)
• Charles -> V (n, P cost)T
• Avogadro -> V n (P, T cost)

Risulta che V = cost (n T/P) -> VP = cost n T

5) -> CALORE E LAVORO TERMODINAMICO

L'energia termica quando viene trasferita è chiamata calore e si indica con il simbolo Q.

Per convenzione: - Q > 0 quando il calore è assorbito dal sistema - Q < 0 quando il calore è ceduto o perso dal sistema Nel contatto termico il corpo inizialmente più caldo si raffredda e il corpo inizialmente più freddo si riscalda. Il lavoro termodinamico è un altro modo di scambiare energia tra un sistema e l'ambiente: L = PdV In particolare consideriamo il lavoro fatto sul sistema < 0 mentre il lavoro fatto dal sistema > 0. Il lavoro e il calore, al contrario della temperatura, della pressione e del volume non sono proprietà intrinseche di un sistema, ma descrivono il trasferimento di energia verso l'interno o l'esterno di un sistema aumentando o diminuendo la quantità di energia termica. In qualunque trasformazione, sia il calore sia il lavoro dipendono dagli stati iniziale e finale e dalla particolare trasformazione seguita, questo vuol dire che entrambi non sono differenziali esatti ma soprattutto.

Non sono funzioni di stato. Un qualsiasi passaggio da uno stato A a uno stato B si realizza in generale scambiando sia calore sia lavoro. Generalizzando questo concetto per una qualsunque trasformazione che porta un sistema dallo stato A allo stato B scambiando una quantità di calore Q e un lavoro L, si trova sperimentalmente che la quantità (Q - L) è la stessa qualunque sia il percorso seguito.

Il primo principio della termodinamica afferma che l'energia che un sistema termodinamico qualsiasi scambia sotto qualsiasi forma in una qualsiasi trasformazione da uno stato A a uno stato B è uguale alla corrispondente variazione dell'energia interna: ΔU = Q - L.

Se U(B) > U(A) il sistema assorbe energia.

Se U(B) < U(A) il sistema cede energia.

Casi particolari:

• Trasformazione adiabatica: Q = 0, ΔU = -L.
• Isocora: L = 0, ΔU = Q.
• Ciclo: ΔU = 0, Q = L.
• Espansione libera: Q = L = 0, ΔU = 0.

6) Modalità di

TRASMISSIONE DEL CALORE

Abbiamo parlato del trasferimento di calore tra un sistema e l'ambiente ma non abbiamo detto niente su come si svolge tale trasferimento.

Esistono solo tre processi molto diversi di trasmissione del calore:

1. CONDUZIONE - trasporto di calore senza movimento macroscopico di materia
2. CONVEZIONE - il trasporto di calore si realizza sfruttando il movimento di masse fluide generato dall'effetto di differenze di temperature che provocano variazioni di densità
3. IRRAGGIAMENTO - il trasporto di calore avviene per mezzo di onde elettromagnetiche

CONDUZIONE

Alcuni corpi trasmettono meglio il calore rispetto ad altri. Una sostanza che trasmette efficacemente il calore per conduzione si dice essere un conduttore (alto coefficiente di conduzione), mentre una sostanza che non trasmette efficacemente il calore si chiama isolante (basso coefficiente di conduzione).

La conduzione è il meccanismo di propagazione del calore senza spostamento di materia.

che avviene¹⁾ per contatto tra corpi a temperature diverse²⁾ tra parti di uno stesso corpo non in equilibrio termico. Il parametro fisico che tiene conto di questa caratteristica è detto CONDUCIBILITÀ TERMICA e dipende dalle caratteristiche fisico-chimiche del materiale. CONVEZIONE In generale la convezione è un processo nel quale c'è trasmissione di calore quando un fluido (aria, acqua, plasma ionizzato, etc.) è a contatto con un corpo che può essere anche un fluido uguale o diverso da quello considerato. Esempio: circolazione dell'aria in una stanza con i termosifoni accesi. In generale il calore trasmesso nella convezione in un intervallo di tempo Δτ da una superficie S esposta al flusso è data da: Q = h S (Ts – Tf) Δτ IRRAGGIAMENTO L'irraggiamento è un meccanismo di trasmissione di calore attraverso emissione di radiazione termica (onde elettromagnetiche). Il calore emesso da un corpo di

superficie S e temperatura T è dato dalla Legge di Stefan: Q = σ ε S T⁴

Dove

• σ = 5.670 x 10^-8 W/(m² K⁴) costante di Stefan-Boltzmann
• ε è compreso tra 0 e 1 e prende il nome di emittanza o emissività della superficie

La legge che descrive l'assorbimento del calore è la stessa. Possiamo dire che se ε = 1, il corpo è un corpo nero ossia un corpo che assorbe tutta l'energia da cui è irradiato.

7) EQUIVALENZA TRA CALORE E LAVORO: ESPERIMENTO DI JOULE

La verifica sperimentale dell'equivalenza tra lavoro e calore e la loro relazione numerica, ovvero la determinazione dell'equivalente meccanico della caloria, è stato affrontato da Joule con una serie di esperimenti (1843-1849) tra i quali

1. riscaldamento dell'acqua per attrito tramite un mulinello rotante
2. riscaldamento dell'acqua mediante il passaggio di corrente elettrica in un conduttore metallico immerso nell'acqua
3. riscaldamento

stato B attraverso una trasformazione adiabatica, il lavoro meccanico compiuto sul sistema sarà completamente convertito in energia interna, senza scambio di calore con l'esterno. Questo principio è alla base del primo principio della termodinamica, che afferma che l'energia totale di un sistema isolato rimane costante. Il mulinello di Joule è un esempio di come l'energia meccanica possa essere convertita in energia termica attraverso l'attrito. Durante il movimento del mulinello, l'energia cinetica dei pesi viene trasferita all'acqua sotto forma di calore, aumentandone la temperatura. Questo esperimento ha dimostrato che l'energia meccanica può essere convertita in calore e viceversa, confermando il principio di conservazione dell'energia. In conclusione, il mulinello di Joule è un esempio di come l'energia meccanica possa essere convertita in energia termica attraverso l'attrito, dimostrando il principio di conservazione dell'energia e il primo principio della termodinamica.stato B1) adiabaticamente, ossia grazie solo al lavoro esterno (Q = 0)
oppure
2) isolando meccanicamente il sistema (L = 0) grazie al trasferimento di calore Q
esiste un rapporto costante tra le unità di misura di queste grandezze, comunque si fissino i punti A e B, purché siano gli stessi per le due trasformazioni (1) e (2), qualunque sia la forma sotto cui viene prodotto il lavoro Lest. Tale valore costante vale 4.186 ossia 1 caloria = 4.186 joule dove il valore 4.186 prende il nome di equivalente meccanico del calore.
8) PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMOMDINAMICA: ENUNCIATO E SIGNIFICATO
Un qualsiasi passaggio da uno stato A a uno stato B si realizza IN GENERALE scambiando sia CALORE sia LAVORO.
ENERGIA INTERNA U del sistema ΔU = Q - L
Il primo principio afferma che l'energia che un sistema termo