Fisica Tecnica: Tutta la teoria per l'esame

Sistema termodinamico

Porzione di spazio materiale, separata dal resto dell' universo

Termodinamico

Aperto

Sistema che può scambiare sia energia sia massa con l'ambiente esterno.

• Ex. sistema aperto: Cilindro-pistone quando le valvole sono aperte
• Quando siamo in presenza di un sistema aperto passiamo utilizzara un volume di controllo

Chiuso

Ben definita parte di materia. Non si verifica alcun passaggio di materia dal contorno.

• Sistema isolato → Nessuna interazione
• Ex. sistema chiuso: Cilindro-pistone quando le valvole sono chiuse entrambe
• Sistema chiuso → Massa di controllo
• Può essere scambiata energia ma non materia con l'ambiente esterno

Proprietà

Caratteristica macroscopica di un sistema, come la massa, il volume e l'energia. Possono essere estensive e intensive.

Stato

Con il termine stato si indica la condizione di un sistema così come è descritta dalle sue proprietà.

Processo

Quando una qualsiasi proprietà del sistema cambia, varia anche lo stato del sistema e si dice che il sistema subisce un processo. Un processo è quindi una trasformazione da uno stato all'altro.

Sistema in stato stazionario

Non vi è alcuna variazione delle proprietà nel tempo.

Ciclo Termodinamico

Sequenza di processi che comincia e finisce nello stesso stato. Alla fine del ciclo tutte le proprietà hanno lo stesso valore che avevano all'inizio. Pertanto, a conclusione del ciclo, il sistema non subisce alcuna variazione netta dello stato.

Equilibrio

L'equilibrio termodinamico è soddisfatto quando sono rispettate contemporaneamente le seguenti condizioni specifiche di equilibrio:

• Equilibrio meccanico
• Equilibrio termico
• Equilibrio tra fasi (fasi ben definite e ferme nella miscela)
• Equilibrio chimico (eventuali reazioni già avvenute e stabilizzate)

Possiamo pensare di verificare che un sistema sia in equilibrio eseguendo la seguente procedura su di esso: isolarlo dal sistema dall'ambiente circostante e osservarne la variazione delle proprietà misurabili. Se non cambia nulla, si può concludere che il sistema era in equilibrio nell'istante in cui è stato isolato.

Possiamo affermare che il sistema è in stato di EQUILIBRIO. Questo perché se un sistema è isolato non può interagire con l'ambiente esterno ed un eventuale cambiamento è dovuto sicuramente ad un evento spontaneo che avviene internamente. Quando tali eventi cessano il sistema è in STATO di EQUILIBRIO.

Volume Specifico

Il volume specifico è definito come il reciproco della densità:

v = ¹/_ρ [m³/kg]

v = ^m/_Vvolume

m = ∫_V ρdV

Pressione

La pressione è definita come:

P = ^F_n/_A

F_N = F cosθ

L'unità di misura della pressione è il N/m² = Pascal = Pa

Energia Interna

La variazione di energia totale di un sistema si assume costituita da 3 contributi macroscopici.

• Energia cinetica: moto del sistema nel suo complesso rispetto a un sistema di riferimento esterno.
• Energia potenziale: legata alla posizione del sistema nel suo complesso rispetto al campo gravitazionale terrestre.
• Energia interna: energia posseduta da un sistema a livello microscopico, energia posseduta dalle entità molecolari da cui è composto il sistema. Rappresentata dal simbolo U.

Quindi la variazione di energia totale di un sistema è:

E₂ - E₁ = (EC₂ - EC₁) + (EP₂ - E₁) + (U₂ - U₁)

⇒

ΔETot = ΔEC + ΔEP + ΔU_ij

Dato che l'energia interna è a livello microscopico, per calcolarla dobbiamo sviluppare un'interpretazione microscopica dell'energia interna facendo riferimento all'energia associata al moto e alla configurazione delle molecole, degli atomi e delle particelle subatomiche che compongono il sistema.

Energia Scambiata Sottoforma di Calore

Lo scambio di energia sottoforma di calore avviene solo in conseguenza di una differenza in temperatura tra il sistema e l'ambiente circostante e necessariamente nella direzione decrescente della temperatura.

Si chiama processo adiabatico un processo nel quale non c'è alcun scambio di calore (Q = 0).

La quantità di calore scambiato dipende dalle caratteristiche del processo e non dagli stati iniziale e finale. Quando:

Q = ∫₁² δQ

Q > 0

Sistema

Q < 0

• Trasferimento di calore dall'ambiente al sistema
• Trasferimento di calore dal sistema all'ambiente

Primo Principio per Sistemi Aperti

Il principio di conservazione dell'energia applicato ad un sistema aperto afferma che la velocità di variazione nel tempo dell'energia immagazzinata all'interno di un volume di controllo è uguale alla differenza tra il quantitativo di energia entrante nel volume nell'unità di tempo e il quanto totale di energia uscente dal volume di controllo nell'unità di tempo.

dE_v/dt = Q̇ - L̇ + ṁ_i(u_i + Ẇ_i²/2 + gz_i) - ṁ_u(u_u + Ẇ_u²/2 + gz_u)

Regime Stazionario

Si parla di regime stazionario quando la portata massica e l'energia trasferita sotto forma di calore e di lavoro nell'unità di tempo sono costanti. Quindi:

dE_v/dt = 0 ;   Σ ṁ_i = Σ ṁ_u   →   dṁ/dt = 0

Quindi riprendendo il bilanciamento per i sistemi aperti:

0 = Q̇_ve - L̇_ve + Σ ṁ_i (h_i + Ẇ_i²/2 + gz_i) - Σ ṁ_u (h_u + Ẇ_u²/2 + gz_u)

Potenza Entrante         Potenza Uscente

Q_e + Σ ṁ_u (h_u + Ẇ_u²/2 + gz_u) = L̇_v + Σ ṁ_u (h_u + Ẇ_u²/2 + gz_u)

h = (ΔU/dt) Ṁ

ṁ (h_u - h_i) + (Ẇ_u²- Ẇ_i²/2) + g (Z_u - Ż_i) = Q̇_ve - L̇_ve

Il calore si scambia per contatto diretto (a) oppure per contatto tubo a tubo.

ORGANI DI LAMINAZIONE

Si può ottenere una riduzione significativa della pressione semplicemente introducendo un forte restringimento di sezione in un tubo in cui scorre un gas o un liquido. In questo caso il bilancio energetico sarà:

ṁ₂ = ṁ₁

^V|_v = ∫₁^v = ṁ₂ (h₂ + ^W₂2/₂ + g_z2) - ṁ₁ (h₁ + ^W₂2/₂ + g_z1) = 0

(Non sono hchuv)

Ove g_z2 e g_z1 veengo eliminade perché sono tutti detemin memor oppure sono trascurabile le variazionei (g_z2 - g_z1 = 0).

Q_uindi:

ṁ [(h₂ - h₂) + (^W₂2 - ^W₁2)/2] = 0 → (h₁ - h₂) = (^W₂2 - W₁²)/2

Se si considerano sezioni di entrata e di uscita ragionevolmente lontane dal restringimento delle sezioni. Notiamo che V_f = V₂. Quindi

h₂ = h₂

Quando il flusso attraversa una valvola e idealizzato in questo modo, il processo viene chiamato PROCESSO di LAMINAZIONE.

INGRESSO

USCITA