Fisica tecnica - Teoria

Università degli Studi della Basilicata - Scuola di Ingegneria

Fisica tecnica - Teoria

Anno Accademico 2016/2017

Fisica Tecnica - I Esonero

Sistema termodinamico

Si definisce sistema termodinamico una porzione definita di materia, distinta dal resto dell'universo (o ambiente). Il sistema può scambiare massa e energia con l'ambiente, e l'energia può trovarsi sotto forma di: calore (Q) e di lavoro (W).

• Sistema aperto: scambia masse con l'ambiente ed energia.
• Sistema chiuso: scambia solo energia con l'ambiente.
• Sistema isolato: non scambia nulla.
• Sistema adiabatico: sistema che non consente lo scambio di calore.
• Sistema diatermico: sistema che consente scambio di calore con l'intorno.

Livello termico = livello di agitazione all'interno delle molecole.

Termometro → misura il livello termico del sistema.

Effetto Seebeck

Pari due metalli differenti uniti da un filo, avranno un livello termico diverso, vi sarà quindi una differenza di potenziale. Termocoppia: la realizzazione di un termometro si basa sull'effetto Seebeck.

Coordinate termodinamiche

Un sistema termodinamico viene descritto dalle sue coordinate termodinamiche: temperatura, pressione e volume. Le prime sono coordinate intensive, ovvero unendo i due sistemi non variano le due coordinate, mentre il volume è una coordinata estensiva, ovvero unendo i due sistemi raddoppia il volume. Il volume viene reso una coordinata intensiva se si utilizza il volume specifico (m³/kg).

Regola della varianza di Gibbs

Dalla regola della varianza di Gibbs possiamo calcolare il numero delle variabili indipendenti:

V = C - F + 2

Mentre le funzioni di stato dipendono dall'inizio e dalla fine della trasformazione del sistema, il calore e il lavoro si occupano del percorso fatto.

Trasformazione reversibile

Se durante la trasformazione si hanno fasi intermedie di equilibrio, pertanto si potrà andare da uno stato i allo stato f e tornando allo stato i.

Principio zero della termodinamica

Se due sistemi termodinamici sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora sono in equilibrio termico tra loro, quindi avranno lo stesso livello termico.

Alcuni simboli e definizioni

• V volume (m³) → v volume massico (m³/kg)
• Q calore (J) → q calore massico (J/kgK)
• L lavoro (J) → l lavoro massico (J/kg)

Il flusso di energia non deriva da una variazione di temperatura

L = ∫_1^2 ρ · S · dx

l_rev = ∫_1^2 P dv → m l_rev = L_rev = m ∫_1^2 P dv

Compressione ed espansione

• Compressione: lavoro negativo
• Espansione: lavoro positivo

Trasformazione ciclica reversibile

Il lavoro non vale nulla ma dipenderà dall'area sottesa:

• l → se percorso in verso orario
• l' → se percorso in verso antiorario
• l = ∮ dl (integrazione circuitale)

Portata

Quantità di massa che defluisce in un tubo:

• V̇ portata volumetrica [ m³/s ]
• ṁ portata massica [ kg/s ]
• v = [ m³/kg ] → V̇ / v → ṁ

Lavoro di asse

È un tipo di lavoro legato alla rotazione di uno o più punti del sistema, e comporta il trasferimento di energia in una sola direzione:

l′_ae = - [ Δe_c + Δe_p + τ + ∫_V v dP ]

In condizioni stazionarie e nel caso di trasformazioni reversibili, possiamo trascurare le variazioni di energia potenziale ed energia cinetica e la variazione dei lavori delle forze dissipative:

⇒ l′_ae = -∫_V^" v dP

Calore

È l'energia che transita per effetto di una variazione di temperatura:

Q = C · ΔT

Parleremo di calore specifico, ovvero la quantità di calore (energia) scambiato senza tenere conto della massa:

• c_v = (∂u/∂T)_v   calore specifico a volume costante
• c_p = (∂h/∂T)_p   calore specifico a pressione costante

Gas perfetto

Considerando il caso di un gas perfetto, ovvero di un fluido nello stato uniforme le cui coordinate corrispondono all'equazione:

PV = ṁ¯R¯T, e l'energia interna è funzione della sola temperatura u = f(T)