Fisica Tecnica

FISICA TECNICA

GRANDEZZE FISICHE E UNITÀ DI MISURA }

III

Volume specifico re

: intensive ottenute

grandezze estensive

dividendo grandezze

Energia

specifica

Energia e = Massa

SISTEMI CHIUSI E SISTEMI APERTI determinato

dell'

SISTEMA parte

TERMODINAMICO universo

: costituisce

che

da chiusa

superficie il

ne

una

termodinamico

sistema

il contorno

può essere : esterno

l'

scambiare

può

APERTO ;

massa

: con

• esterno

l'

scambiare

può

CHIUSO massa con

: non

• ;

scambia

ISOLATO massa energia

ne

na

non

• : esterno

l'

con ;

isolato scambiare

Non massa

e

energia con

può

• :

esterno

l' ; Interna

Energia

✓

totale

Energia ↳

_ da

Composta :

| nel

/ sensibile /

Energia ?

+ IÌ )

(

latente non

:P

cinetica

Energia Energia

Energia

Potenziale

Energia sensibile: parte dell’energia termica che quando subisce una variazione da origine a un cambiamento osservabile (es.

variazione di temperatura)

Proprietà intensive: proprietà il cui valore non dipende dalla quantità di materia o dimensioni del campione, ma soltanto dalla

sua natura e dalle condizioni in cui si trova; (Temperatura, volume specifico, pressione, densità)

Proprietà estensive: proprietà il cui valore dipende dalle dimensioni del corpo a cui ci si riferisce; ( massa, volume entropia,

entalpia)

Se prendiamo la temperatura come esempio, essa è INTENSIVA, poiché se prendiamo un sistema e lo dividiamo in più parti,

la somma delle varie temperature avrà un valore diverso di quella del sistema di partenza. Se invece prendiamo un sistema e

lo dividiamo in due parti, la somma delle due energie ( grandezza ESTENSIVA) sarà pari all’energia di partenza;

Equilibrio termodinamico: quando tra tutte le parti di un sistema non si ha scambio di massa e energia.

Per avere equilibrio termodinamico devo avere equilibrio:

- Meccanico;

- Termico;

- Chimico;

- Elettrico;

Il calore è una forma di energia termica e viene scambiato da un punto a temperatura più alta a un punto a temperatura più bassa

verificano

Si successione

una

stati

di equilibrio

di

→

Proprietà i stato / funzioni di stato

Temperatura e volume specifico ad esempio dipendono dallo stato del sistema

Prendiamo un diagramma termodinamico

p a

¥ Regola delle fasi: Lo stato di equilibrio termodinamico di un

sistema composto da F fasi e C specie chimiche è

determinato da 3-F coordinate intensive indipendenti e C-1

concentrazioni indipendenti di componenti

! ! indipendenti

!!

÷ !

:&

? →

,

Stato di equilibrio in cui si

. può trovare un sistema C- 1=0

% chimica

ho

perché specie

una

-

Trasformazione quasi statica: successione di stati di equilibrio

p / stato finale Le trasformazioni reali si possono approssimare

della immaginando che il sistema passi dallo stato 1 allo stato 2

Linea attraverso una successione di stati di equilibrio

÷ .

# 1

2

Sistema adiabatico: sistema dotato di un contorno che non lascia passare energia termica.

calore

di

flusso

Il

↳ uguale 0

è a

lascia

Non passare

termica

energia ADIABATICO

SISTEMA Ho scambio di calore solo all’interno del sistema.

Il ferro perde energia termica SENSIBILE che viene acquisita dal rame

La T del ferro cala è quella del ferro aumenta finché non arrivano alla stessa

temperatura, a questo punto il sistema è in equilibrio termico e termodinamico

✓

adiabatico

Contorno

=

sistema adiabatico

Principio zero della termodinamica: Se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo, lo sono anche tra loro.

temperature }

t.TB.to ¥

ho

se 3 TB

Ta

§ -

si

LAVORO Quando un corpo cambia il suo stato di quiete allora si dice che è

soggetto ad una forza

Quando un sistema esercita una forza sull’ambiente esterno, allora

il sistema compie lavoro

F

↳ s

-

/ ds

L F.

= I. tratti

tutti

di

contributi i

spostamento

infinitesimi dello Positivo entra

perchè

sistema

quel

Positivo

→

tempo → Potenza meccanica termica

Potenza

positiva

/ scambiata

-

il

che calore

Lavoro Calore

specifico specifico :

_

- unità di

esterno

l'

lavoro per

compie massa

verso • Potenza

L : termica

Ò potenza

:

• C-

↳ l

( specifico

l Lavoro

= :

= at in specifico

Calore

q :

Assumiamo POSITIVO il lavoro meccanico compiuto verso l’esterno;

Assumiamo POSITIVO il calore scambiato verso l’esterno; l'

Perché

LB

↳ area

< nel B

è processo

maggiore

LAVORO DEL

VARIAZIONE VOLUME

DI la

Rappresenta pressione Pressione

del volume

funzione

in §

↳

/ p F- Pos

= superficie

↳

/

/ dv

i il Aids

SL ds

F

:&: =p

=p .

- .

-

→ ← ,

gdias del

Infinitesimo

IIII di

una Area

% ,

→ lavoro pistone

del

base

stato

µ finale

i.

spinto

pistone

Il è 2

dal

alto

l' !

verso gas pdv

↳ = stato

↳ iniziale Diagramma termodinamico

Se senso

in

percorro il aumenta il volume

antiorario espande

legar si e

dice cielo e

inverso ,

si sposta il pistone

↳

negativo

scambiato

calore è la

del

All'aumentare volume

cala

pressione

→ occupato da

volume

tutto il sistema

→

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: La variazione dell’energia totale di un sistema chiuso è pari alla somma del calore e

del lavoro scambiati; entrante

Calore

7 uscente

Lavoro

di

Variazione →

sistema

del

totale

energia : -

costanti si

se sono omettere scambiato

possono calore con

esterno

l'

µ

del

L' fornisce

forno

aria patata

alla

calore - perche

negativo escono

↳

↳ sistema

dal

Qptqz

È dal

ricevuto

pentola

alla

fuoco

tratta

Negativo di

perchè si LAVORO MECCANICO

µ entrante

È

moto dice che

' Le pale trasmettono

elettriche nel LAVORO

sistema ELETTRICO

↳ movimento al fluido,

DALL' ESTERNO

compiuto (

DE elica compiono lavoro meccanico

= - nel fluido. Posso considerare

le pale esterne al sistema o

interne, in entrambi i casi ho

Lei

DE segno negativo

-

=

Effetto joule: La potenza elettrica diventa potenza termica,

in questo caso i 5 Kj non sono di lavoro ma di calore Dissipazione viscosa: la potenza meccanica diventa potenza

scambiato, il sistema non risulta adiabatico termica, in questo caso abbiamo uno scambio di calore positivo

Il gas viene compresso In questo caso ho calore entrante e

quindi viene compiuto calore uscente e lavoro meccanico

lavoro verso l’esterno, il dalle pale esterne al sistema

lavoro entrante è negativo linea

di

variazioni

dalla trasformasi

dipendono tempo

nel

Variazione

.

- totale del

dell' sistema

→ energia

- -

scambiato × infinitesime

quantità

lavoro Potenze

di

unità scambiata

massa

6 tempo dell'

nel energia

Variazione

✓

specifica

↳ Variazione scambiata sistema

nel

specifica

-

sistema

del

totale

dell' energia

Sistema stazionario: Energia cinetica e potenziale costanti;

Sistema in regime stazionario: Le sue proprietà non variano nel tempo;

TRASFORMAZIONE A VOLUME COSTANTE ( ISOCORA) sistema esterno

Il l'

calore la

scambia con ,

cala

infatti

tenep

sua . Kant dico

→

L

Q

su = - {

↳ pdv

0,2

-0

Una = -

, "

6 volume

perche il rimane

o costante

interna

Energia

finale trasformazioni

le il

AU isocoze

per uguale

scambiato alla di

calore è variazione

interna

energia

TRASFORMAZIONE ISOBARA ( P=COST) % plus )

Uz Pdv

012

Up 0,2 Vr

- =

- -

= -

la pressione

esercitata sul

costante

pistone è ) )

( tratta quindi di

(

0,12 Utpv si

Utpv

:* →

;

si -

=

:p

: ,

a -

- entalpia

differenza di

Entalpia

Entalpia Una

"

↳ riscaldare

"

Dal greco

ottenuto

calore

il devo

lo al

- se NEGATIVO

è SOTTRARRE

sistema

al

lo devo

sistema positivo AGGIUNGERE

se e

,

estensiva

grandezza proprietà

di

H la due

Siccome è somma

µ h

Entalpia

H

ENTALPIA stato stato

V di

specifica

U proprietà

allora H

t po di

Ut

p è

= =

. → una

,

DA dh

dvtvdp

du vdp

da pdv

Differenziale t p +

Eq = +

. =

. dlt dh Sqtvdp

vdp

SQ +

= =

- di

la

calcolare

Per variazione

determinata taasf

entdpia in una .

CAPACITÀ TERMICA: Si definisce capacità termica di un corpo il rapporto tra il calore scambiato tra il corpo e l’ambiente e la

variazione di temperatura che ne consegue

termica

capacità

µ SQ Cdt

Q =

at

C.

= di

Variazione

↳ tempo .

CAPACITÀ MEDIA

TERMICA capacità

SI la

vogliamo

6 se conoscere

!

! (

IIII fa

!! →

=

§

⑤ KI dt

c determinato istante

termica

→

=

→ un

in )

( termica

quantità La

di capacità

calore

Immettendo certa è una

una : tutto

tensiva

qeaufqjqng.es dipende da

il sistema la

molto tempo

se cui

è per

capace poco

varia

• ,

.

sistema teenp molto

il la

se è capace varia

• poco .

k-costcv-offf.fdudt.PT/v-

1,0 )

( 9¥ termica

capacità cost

v.

a

→

,

(

d%P

)

( 8¥ cost

capacità termica P

Cp → a -

=

= =

, p

dit

= ( )

du Vdp

DH

tpdv DH

du Vdp dutpdvtvdp

Vdp

tpdv t =

= - =

-

-

Aggiungo TOLGO LA

E

QUANTITÀ

STESSA

CAPACITÀ SPECIFICA SPECIFICO

O

TERMICA CALORE

÷i li:÷÷ì÷÷

C 89

→ ÷

+ tutto

di

massa

sistema

il )

( costante

volume

calore

(SUL

SQ il specifico è

→ a

=

v alla interna

di

pari variazione energia

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA (x i sistemi aperti)

La variazione dell’energia totale di un sistema aperto è pari alla somma del calore e del lavoro scambiati attraverso le pareti

invalicabili del contorno e dell’energia cinetica, potenziale e dell’entalpia trasportate dalle masse che attraversano le parti

valicabili del contorno

di

Variazione energia

aperto

del sistema

totale : - -

£ uscita

contributi in

scambiato

calore ingresso

invalicabili

attraverso parti

le

del sistema

durata

Riferita ad una →

infinitesima

di tempo !

✓ Portata

Portata massa

aria in

massa

in uscita

in

ingresso

in 1.

Quantità di che

massa passa

tempo

unità

nell' di

-

SISTEMI APERTI Caso A : Considero una massa fluida all’interno

P2 V2

. del sistema e suppongo che riempia tutto il

Il

Lt serbatoio ma ne rimanga fuori una parte, ho una

1 parte nel sistema aperto e una parte nel sistema

. trascuro

Lo chiuso determinato dalla linea tratteggiata

Spingo dentro la massa d’acqua

÷ Caso B: ho una parte nel sistema chiuso e una

* i L parte all’esterno del sistema nel punto di uscita 2

-

/

.dk

ah =p

, , Parte che rimane

fuori

Possiamo calcolare la variazione dell’energia totale del sistema chiuso nel caso A e nel caso B

totale specifica

Energia rimasta fuori

sistema chiuso

del massa

sistema

dal

4 4 specifica (

tot )

Energia eptecth

.

→ sistema

del

interno

CASO A → dal

usata

Caso B massa

→

→ sistema

VARIAZIONE EN -0

. -

TOTALE DEL SISTEMA !

tot

CHIUSO +602

variazione Applicando

en SOCI

SQ 501

il 1C

. per

principio = -

sistema

del aperto _

→ sistemi chiusi

i trascurabili

compiuto

Lavoro sono

esterno

l' →

verso )

dalla

dati conduzione

(

Trascura la

esterna

parte jam

Formula →

differenziale ✓

CALORE SCAMBIATO

CONDUZIONE

PER

IL parti chiuse

lavoro le

compiuto

i verso

c ,

Sla pesare

entrare

SL di la

nelle usata far

compiuto sezioni

lavoro ingresso

: per

e

- massa

, esterno

④ l'

lavoro

La : verso

compie sistema

che esterno il

< ⑤ l'

lavoro compie

:

1 verso

-

CONDUZIONE ii. di calore

scambi

Abbiamo attraverso

conduzione la

per

parete

Consideriamo un sistema in regime stazionario

- portata

della

differenza

La massa in

di in

suppongo essere : REGIME uscita deve

ingresso e in pari zero

essere a

→

stazionario

In > STAZIONARIO

/

regime

• entrata

sola

Avere e

1

• termica

potenza

uscita

sola

1 scambiata

-

. f

Sono = ✓ Potenza scambiata

↳

fra

di quota di

unità

Divido

Dff tt tempo

per

per

.

È

/ usata Entalpia specifica

ingresso e

Dff di - -

. →

etica

è

:S unità

scambiata

Potenza

↳

↳ per

di

{ portata massa

i n

termica

Potenza unità di

:{ unità

¥ scambiata stessa

per →

[ →

di specifico

del lavoro

misura

massa ↳

scambiata attraverso parti scambiata dal

le Potenza

chiusa sistema

del portata

unità di

sistema massa

in

per

CONVERSIONE TRA DIVERSE FORME DI LAVORO

SERBATOIO DI CALORE: Sistema dotato di una capacità termica molto elevata (infinita) tale da poter scambiare una qualsiasi

quantità di calore senza alterare la propria temperatura Posso considerarlo come Serbatoio

di calore: può scambiare qualsiasi

quantità di calore senza variare la

:

propria temperatura

Anche scambiando grandi quantità

di calore non si hanno variazioni

apprezzabili perché ha una

capacità termica molto elevata

(infinita)

Serbatoio termico Serbatoio al quale cediamo calore

dal quale i →

preleviamo calore

È semplice convertire il lavoro in calore ma non lo è convertire il calore in lavoro, lo si può fare nei motori termici

Se il peso è libero perde

1. energia potenziale

compiendo lavoro sul fluido

che viene convertito in calore

Il peso mette in

rotazione l’aalbero e

quindi anche le pale ! ! ¥

Riceve

Calore Se riscaldo l’aria, passa un

Dissipazione viscosa: l’acqua flusso di calore dall’esterno

1 aumenta la sua energia termica all’interno scaldando l’acqua

sensibile, grazie al lavoro ma non compie lavoro

• meccanico generato dall’albero

Lavoro uscente

Preleva calore da una sorgente a T

più alta e ne converte una parte in →

lavoro meccanico e cede il

restante ad un pozzo a T più bassa :L

÷ . comportamento

ho

perché ciclico

-0

su un ;

stato del

alla

all' ciclo

stesso fine

lo

Lo è inizio e

MOTORE TERMICO: macchina che rende disponibile lavoro meccanico ricevendo calore da una sorgente a una certa T

MOTORE A VAPORE: Ha due ingressi e due uscite, sfrutta il cambiamento di fase dell’acqua in modo che possa compiere un ciclo

termodinamico ricevendo

Il sistema compie un ciclo termodinamico, se

è compiuto in senso orario il sistema compie

lavoro verso l’esterno (positivo). LIQUIDO VAPORE

Il motore a vapore è costituito da 4 |

sistemi aperti: 3

- Pompa; 2

-

- Caldaia;

- Turbina;

- Condensatore;

1-2: Il liquido nel punto 1 si trova ad una temperatura in cui avviene LIQUIDO

un cambiamento di fase uscito dal condensatore nel quale si +

1 LIQUIDO

-

trovava in forma gassosa, tramite la pompa subisce un elevato VAPORE

|

aumento di pressione e un piccolo aumento di temperatura 4

(trasformazione a volume costante). La pompa riceve lavoro

dall’esterno.

2-3: All’interno della caldaia viene fornito calore all’acqua e diventa vapore

3-4: All’interno della