Fisica Tecnica - Calore e Lavoro

L'energia di un sistema

Gli scambi di energia: calore e lavoro

Il contenuto energetico di un sistema varia unicamente attraverso interazioni con l'ambiente esterno che possono avvenire soltanto in tre modi. Nei sistemi chiusi, cioè quei sistemi che possono scambiare energia ma non massa con l'ambiente esterno, le uniche forme di energia che possono essere scambiate col contorno sono calore e lavoro.

Nei sistemi aperti, invece, dato che scambiano energia e massa con l'ambiente esterno, viene scambiata una certa quantità di massa, alla quale è associata una data quantità di energia in quanto l'energia è una grandezza estensiva. Quindi nei sistemi aperti avviene un trasporto di massa e di conseguenza un trasporto di energia sotto forma di calore e lavoro.

Calore e lavoro

Il calore rappresenta l'energia trasferita a causa di una differenza di temperatura al contorno del sistema. Poiché il calore è l'energia trasferita al contorno del sistema, non è causa predominante di stato, ossia non potenzierà lo stato termodinamico del sistema ma ne determinerà una variazione.

Il lavoro rappresenta anch'esso un'energia trasferita al contorno del sistema.

Esempio: Cilindro-pistone

Consideriamo un sistema cilindro-pistone. Perché il pistone non si muove? Perché c'è uno squilibrio tra la pressione esercitata del gas e la pressione esercitata sul pistone. Nella condizione di equilibrio, si nota che in assenza di differenze di pressione, il pistone resta fermo per cui lavoro di compie nulla. Quando il pistone è movimentato, compie un lavoro o di compressione, cioè la pressione esterna è maggiore della pressione esercitata dal gas, o di espansione, cioè la pressione del gas è maggiore della pressione esterna.

Detto questo, il lavoro non è riconducibile a pura differenza di temperatura perché in quel caso parleremmo di calore. Inoltre, il lavoro non è neanche riconducibile al trasporto di massa quando parliamo di sistemi aperti (sebbene ci sia la componente lavoro di pulsione).

Concezioni di calore e lavoro

Le concezioni alla base di questa distinzione tra calore e lavoro è che il lavoro è una forma di energia associabile a qualche forma di moto ordinato. Spieghiamo meglio il concetto con due esempi.

Consideriamo il sistema cilindro-pistone. Il lavoro compiuto dal pistone è dovuto a una differenza di pressione tra il gas e l'ambiente esterno ed è associato concettualmente al moto rettilineo (quindi ordinato) del pistone. Oppure, applicando una differenza di potenziale ai capi di un conduttore, il lavoro compiuto sul conduttore è associato al moto ordinato degli elettroni che si muovono da punti a potenziale minore verso quello a potenziale maggiore.

Misurazione di calore e lavoro

Il calore è una forma di energia e pertanto si misura in Joule [J]. Il calore per unità di massa è pari a: q = Q/m. Attenzione! Non è una proprietà specifica, si misura in [J × kg ^-1].

La potenza termica è definita come la quantità di energia termica, ovvero di calore, scambiato nell'unità di tempo e ovviamente si misura in watt [W].

\[ \dot{Q} = \frac{dQ}{dt} \] \[ [J \times s^{-1}] \equiv [W] \]

Il lavoro è una forma di energia e pertanto si misura in Joule. Il lavoro per esempio di massa (così il lavoro pratico) è quindi:

\[ \frac{F}{x} \] \[ \frac{J}{(m)} = \] \[ [J:kg \cdot m^2/s^2] \]

La potenza meccanica è data dal rapporto:

\[ \frac{dL}{dt} \] \[ J:s \] = \[ W \] Chiaramente si misura in watt [W].

Distinzione tra calore e lavoro

La distinzione tra calore e lavoro è basata in realtà sulla scelta del volume di controllo. Spieghiamo questo concetto con un esempio. Consideriamo il sistema termodinamico di un forno elettrico fatto così:

[Diagramma del forno elettrico.]

Ho disegnato ad esempio solamente il contorno del sistema; in questo caso, si può considerare lavoro poiché all'interno del volume di controllo stiamo considerando quell'elemento scaldante che non sarebbe altro che la resistenza elettrica (un resistore). All'interno di questo elemento scaldante è presente un moto ordinato di elettroni per cui il nostro sistema sta scambiando lavoro. Questo lavoro è prodotto dalla differenza di potenziale ai capi della resistenza.

Se invece consideriamo così il volume di controllo del sistema:

[Freccia verso destra.]

FORNO ELETTRICO
ELEMENTO SCALDANTE
CONTORNO DEL SISTEMA

La quantità di energia scambiata al contorno del sistema sedeito la resistenza elettrica dal contorno del sistema, si può considerare calore per cui esisterà una differenza di temperatura tra la resistenza elettrica (esterno il sistema) e l'interno del sistema.

Convenzione sul segno di calore e lavoro

Dato che l'energia può essere acquistata o ceduta dal sistema, è necessario assegnare un segno agli scambi di energia. Si considera positivo il calore trasferito dall'esterno al sistema.