Fisica tecnica 1 - Parte Introduzione Sistemi e funzioni energia ed entropia

Fisica tecnica (ingegneria meccanica): schemi riassuntivi

Prima parte

Sezione 1: Introduzione alla termodinamica

• Il corso di Fisica Tecnica si occupa di studiare la termodinamica tecnica e la trasmissione di calore. Termodinamica: θερμός + δύναμις (calore + movimento) → convertire il calore in lavoro, scienza che ha per studio il sistema termodinamico.

  Il primo tentativo efficace è la “macchina eolipila” di Erone di Alessandria, nel I secolo aC; successivi e anche attuali meccanismi sfruttano lo stesso principio. La termodinamica come tecnica fiorisce con la rivoluzione industriale: Thomas Savery brevetta la prima macchina a vapore (molto inefficiente) nel 1698, perfezionata da Thomas Newcomen e da James Watt. La termodinamica nasce prima come tecnica, in seguito vengono formalizzati i princìpi da inizio 1800.

• Sistema termodinamico: porzione di spazio o quantità di materia presa in considerazione, delimitata da un contorno (reale o immaginario, le cui proprietà sono particolarmente importanti); la massa o regione all’esterno del sistema è detta ambiente. Il sistema e l’ambiente costituiscono il composto Universo. Sistema termodinamico ben definito: insieme di costituenti non soggetti a forze esterne che dipendono da altri costituenti esterni al sistema; nel caso di costituenti immersi in campi gravitazionali, elettrici o magnetici, l’indipendenza delle forze esterne da costituenti esterni è garantita solo se tali campi sono generati da distribuzioni stazionarie. Ne consegue che l’energia è una proprietà del sistema in ogni possibile stato.

Il sistema dipende da:

• Tipo e natura dei costituenti.
• Parametri forze esterne (volume, campo elettrico, magnetico o gravitazionale).
• Natura delle forze interne e dei vincoli interni.

• Sistema termodinamico semplice: porzione di materia chimicamente e fisicamente omogenea ed isotropa (invarianza del sistema rispetto alla direzione). Un sistema non omogeneo si dice eterogeneo, e le sue proprietà termodinamiche variano localmente.

• Sistema termodinamico composto: unione di più sistemi semplici, detti sottoinsiemi.

• Sistema termodinamico semplificato: costituisce la base di studio dei sistemi termodinamici, e assume le seguenti semplificazioni:

• Non è soggetto a campi di forze di massa (gravitazionale, elettrica, magnetica) o di superficie (tensione superficiale).
• Non è reagente (assenza di reazioni chimiche e nucleari).

Il sistema può essere delimitato da diversi tipi di contorno:

• Rigido o Deformabile.
• Chiuso o Aperto (permeabile o impermeabile).
• Conduttore (diatermico) o Isolante (adiabatico).

• Sistema termodinamico isolato: un sistema si dice isolato quando è chiuso, rigido e adiabatico.

• Proprietà di un sistema termodinamico: caratteristica macroscopica che descrive un sistema termodinamico nel suo complesso (temperatura, pressione, volume, massa, energia), risultato mediato di contributi microscopici dei singoli elementi del sistema. Una proprietà di un sistema misurata al tempo t fornisce un valore numerico P(t), indipendente da dispositivi di misura, altri sistemi e istanti di tempo diversi da t: sono dunque differenziali esatti d. Possono essere intensive (non dipendono dalle dimensioni del sistema) o estensive (dipendono dalla estensione del sistema).

• Stato termodinamico: stato del sistema completamente definito dal numero e tipo dei costituenti, dai parametri che caratterizzano le forze esterne che agiscono sul sistema, e da tutte le proprietà indipendenti del sistema.

• Stato di equilibrio termodinamico: uno stato in cui non esistono potenziali non bilanciati, e il sistema è invariato nello spazio e tempo: è ben descritto specificando solo i valori delle proprietà termodinamiche indipendenti.

• Equazione di stato: fornisce il legame matematico (funzione) tra le grandezze termodinamiche, e permette di ricavare i valori di una variabile dipendente da quelli delle variabili indipendenti. L’evoluzione dello stato termodinamico è descritta dall’equazione del moto del sistema.

• Studio di un processo termodinamico: come nello studio della dinamica, si rinuncia a uno studio del fenomeno completo: si studia solo stato iniziale, finale e le interazioni del sistema sulle proprietà principali (quantità di costituenti, energia ed entropia).

• Processo spontaneo: evolve spontaneamente senza interazioni con altri sistemi (sistema isolato), e non si hanno effetti esterni al sistema.

• Processo meccanico: l’unico effetto esterno è rappresentabile come una variazione di quota di un grave in un campo gravitazionale (variazione di energia potenziale di un grave).

• Processo reversibile: è possibile riportare sistema e ambiente agli stati iniziali, tutti gli effetti sono annullabili.

• Trasformazione quasi-statica (internamente reversibile): trasformazione idealmente infinita, in realtà approssimando basta che il T di trasformazione sia maggiore del T di propagazione delle perturbazioni nel sistema (es: stranamente il motore a scoppio può soddisfare la richiesta, poiché il tempo di trasformazione è molto maggiore del tempo di propagazione del fronte di fiamma). Si può definire come una successione di stati di equilibrio che approssimano il sistema, ed è sempre possibile definirne le grandezze termodinamiche. È una trasformazione sicuramente invertibile, ma non necessariamente reversibile globalmente.

• Trasformazione globalmente reversibile: tutte le trasformazioni sono internamente reversibili (quasi-statiche), e sistema e ambiente sono in mutuo equilibrio. Se non tutte le trasformazioni sono quasi-statiche ho irreversibilità interna, se invece sistema e ambiente non sono in mutuo equilibrio ho irreversibilità esterna. Tutte le trasformazioni reali sono irreversibili.

Sezione 2: Forme di energia

• Energia totale E del sistema: l’energia totale E è la somma di tutte le diverse forme di energia (termica, meccanica, cinetica, potenziale, elettrica, magnetica, chimica e nucleare).

• Forme statiche e dinamiche di energia: l’energia totale contenuta all’interno del sistema e le sue forme sono definite forme statiche di energia. Le forme di energia che non sono immagazzinate nel sistema sono definite come scambi energetici, o forme dinamiche di energia. Gli scambi passano attraverso il contorno del sistema, e rappresentano l’energia acquisita e persa durante un processo/trasformazione.

• Forme macroscopiche di energia: le forme di energia che il sistema ha rispetto ad un sistema di riferimento esterno.

  • Energia meccanica: le forme di energia idealmente convertibili in lavoro meccanico:

  • Energia cinetica: energia posseduta dal sistema perché in movimento rispetto a un sistema di riferimento.
  • Energia potenziale: energia posseduta dal sistema a causa della sua quota in un campo gravitazionale.

• Forme microscopiche di energia: le forme relative alla struttura ed al grado di attività molecolari del sistema. L’energia interna è la somma di tutte le forme microscopiche di energia.

• Energia termica: energia sensibile + energia latente:

  • Energia sensibile: l’energia interna di un sistema associata all’energia cinetica delle molecole (alla variazione della temperatura T).
  • Energia latente: la porzione di energia interna di un sistema associata allo stato di aggregazione della materia. Possiede varie componenti microscopiche, come traslazione/rotazione/vibrazione di atomi, molecole e particelle.

• Energia chimica: energia interna di un sistema associata ai legami atomici.

• Energia nucleare: energia interna (una grande quantità) associata ai legami forti all’interno del nucleo atomico.

• ΔScambio termico e lavoro: quando le interazioni sono dovute a una differenza di temperatura si parla di scambio termico. In ogni altro caso si parla di lavoro. Entrambe sono forme dinamiche di energia, riconoscibili al contorno del sistema, associate a un processo e non a uno stato (non sono proprietà). Vengono quindi definite funzioni di linea: il loro valore dipende dal percorso fatto dal sistema durante il processo, e il loro differenziale δ è inesatto.

• In fisica tecnica si usa la convenzione di segno delle macchine: il calore entrante in