Primo e secondo principio termodinamica

Introduzione

In termodinamica siamo soliti distinguere la porzione limitata dello spazio di cui ci interessa studiarne le

proprietà, il Sistema, da tutto ciò che è esterno ad esso e il cui studio non è di nostro interesse, il Mezzo o

a ie te. La supe fi ie he a hiude il siste a isola dolo dall’a ie te p e de il o e di supe fi ie li ite o

contorno. Un sistema può presentarsi in tre differenti tipologie:

: se o può s a ia e è ate ia è e e gia o l’a ie te.

- Isolato

- Aperto: sistema che scambia sia materia che energia. Particolare interesse avrà per noi il volume di

controllo, ovvero la porzione in cui avremo che il flusso di massa entrante sarà pari a quello di massa

uscente. In tal caso si dirà che il flusso è a regime.

- Chiuso: un sistema che scambia energia, ma non mteria. Tale sistema riesce a scambiare energia con

l’a ie te edia te due a ifestazio i e ui ale ti dell’e e gia, il alo e e il lavoro, le quali si

manifestano rispettivamente in corrispondenza di una differenza di temperatura e di pressione. Da tale

a alisi appa e o io he e t e l’e e gia è posseduta dal siste a, il alo e e il la o o so o e tità he si

s a ia o i ua to si a ifesta o sola e te du a te u a t asfo azio e. L’u i a e a diffe e za t a

queste due entità è che mentre il lavoro può essere convertito interamente in calore, ciò non vale per il

il la o o è u ’e e gia di p i a

calore in quanto parte di esso sarà disperso , per questo si dice che mentre

spe ie, il alo e è u ’e e gia deg adata o di se o da spe ie.

defi ito il siste a sia o soliti ole e i di idua e lo stato e iò è possi ile g azie all’i di iduazio e

Una volta

delle grandezze atte a caratterizzarlo , le grandezze di stato, che hanno valori ripetibili ogni qualvolta che si

ripetono le stesse condizioni. Le grandezze di un sistema possono essere:

g a dezze dipe de ti dal te po e dall’este sio e del siste a

- Estensive:

- Intensive: grandezza indipendenti dal tempo, dalla dimensione del sistema , ma che variano di posizione

in posizione. Il valore specifico delle grandezze estensive è una grandezza intensiva.

È e e p e isa e he il o etto di stato di u siste a è u ’ast azio e, og i siste a e ol e nel tempo

portando a delle variazioni delle grandezze di stato, mentre quando parliamo si stato di equilibrio intendiamo

quel particolare stato in cui le grandezze di stato non mutano.

Tornando al concetto di stato abbiamo detto che il sistema evolve perciò le grandezze atte a caratterizzarlo

uta o dai alo i i iziali, ioè si t adu e ell’affe a e he il siste a sta su e do u a t asfo azio e.

se u a olta a e uta la t asfo azio e è il siste a è l’a ie te posso o

- Trasformazione irreversibile:

tornare alle condizioni iniziali. A volte è possibile distinguere le irreversibilità interne, che riguardano solo

il siste a, da uelle este e , le uali oi olgo o solo l’a ie te.

- Trasformazioni reversibili: la trasformazione ci porta ad uno stato di equilibrio che coincide con quello

iniziale. Nelle trasformazioni reversibili hanno particolare interesse le trasformazioni internamente

reversibili, ovvero quelle trasformazioni in cui le irreversibilità riguardano esclusivamente il mezzo. Tali

trasformazioni consistono in un succedersi di infiniti stati di equilibrio e per questo prende anche il nome

di trasformazione quasi statica.

Il nostro interesse sarà puntato sulle trasformazioni quasi statiche o totalmente reversibili.

Primo principio termodinamica per sistemi chiusi

Grazie alla prima esperienza di joule si riuscì a dimostrare che il calore e il lavoro erano forme equivalenti di

energia e , soprattutto, che erano in rapporto costante tra di loro.

te ito e a pa eti adia ati he, pie o d’a ua, el uale

PRIMA ESPERIENZA DI JOULE: joule prese un co

erano immerse delle pale collegate tramite una puleggia ad un grave (esterno al contenitore) posto ad

u ’altezza h dal suolo. T a le pale vi e a o delle alette la ui fu zio e e a uella di oppo e resistenza al

movimento delle pale, le quali erano azionate facendo cadere il grave, convertendo così il lavoro in

alo e. Joule affe ò he il appo to t a il lavo o e il alo e e a osta te e pa i all’e uivale te e a i o

del calore. L/Q=E

Se si esprimeva il calore nella stessa unità di misura del lavoro ovvero joule, si otteneva che Q-L=0 (1).

Tuttavia la prima esperienza di joule non approssimava al meglio un sistema chiuso soggetto ad un ciclo

di trasformazioni chiuse, ma si poteva ovviare a tale problema prendendo un contenitore a pareti non

adiabatiche e mettendolo nel calorimetro di Bunsen

La 1 esprime il primo principio della termodinamica per sistemi chiusi sottoposti a trasformazioni chiuse e

afferma che tutto il calore si trasforma in lavoro, inoltre non essendo differenziali esatti scriverli in tal modo

dQ-dL=0 sarebbe un errore.

Cosa succederebbe se avessimo un sistema chiuso sottoposto a trasformazioni aperte?

In tal caso si avrà che la 1 non sarà verificata in quanto non tutto il calore si trasformerà in lavoro, tuttavia tale

differenza sarà costante e dipenderà solo dallo stato iniziale e finale e non dal particolare tipo di

trasformazione. Tale differenza sarà pari alla differenza di energia interna, dove con energia interna

i te dia o u a g a dezza di stato he app e se ta l’e e gia i agazzi ata el siste a stesso, a e o

perciò: (2) e ciò vale SOLO per trasformazioni reversibili o internamente reversibili.

Analizzando le singole trasformazioni avremo che :



TRASFORMAZIONE ISODINAMICA la variazione di energia interna è nulla, dU=0 , perciò il sistema si

- riconduce ad un sistema chiuso sottoposto a trasformazioni chiuse e continua a valere la 1 ovvero tutto il

calore si converte in lavoro e viceversa



- TRASFORMAZIONE ISOCORA avremo che la variazione di volume sarà nulla perciò, il termine del lavoro

à e a e o he tutta l’e e gia i te a o ispo de à alla a iazio e di alo e

si annulle 

- TRASFORMAZIONE ADIABATICA in tale trasformazione non ci sarà scambio di calore perciò dQ=0 e

perciò du= -dL

- TRASFORMAZIONE ISOBARA avremo che la variazione di pressione sarà costante perciò scomponendo il

lavoro in L= pdv +vdp avremo che L=pdv, sostituendo si avrà che du+pdv=dQ , introducendo una nuova

grandezza di stato che prenderà il nome di Entalpia J pari a u+pv abbiamo che dJ=dQ. [ joule]

Appunti di Fisica tecnica su sistemi, ambiente
grandezze di stato, stato di un sistema
trasformazioni irreversibili
trasformazioni reversibili e meta statiche
prima esperienza di joule
primo principio per sistemi chiusi
primo principio per sistemi dinamici chiusi
primo principio per sistemi dinamici aperti
macchina termica e ciclo di carnot
secondo principio termodinamica
entropia
entropia in cicli reversibili e irreversibili