Riassunto parte teorica - fisica tecnica, prof.ssa Magrini

Definizioni

Cos'è la Termodinamica: è una scienza che studia le trasformazioni di en. tra una forma e l'altra, EE. considerando en. termica come quella principale.

Sistema Termodinamico

Porzione di spazio o di materia delimitata nello spazio; un'entità che possiamo circoscrivere con confini reali o virtuali

Sistemi Omogenei

Sistemi nei quali la materia è tutta dello stesso genere es: gas, liquidi e solidi puri

Sistemi Non Omogenei

Sistemi costituiti da elem. diversi tra loro

Esterno

Non fa parte dell'ambiente sistema che andiamo a studiare, che però interagisce con il sistema con il quale può essere scambiata energia o materia

Confine

[sup. di controllo] il sist. è delimitato da dei confini attraverso questa CONFINE si ha scambio di en. e materia con l'esterno. I confini possono essere reali o ideali

Classificazioni

Sist. aperto      Sist. chiuso      Sist. isolato

Attraverso i confini di un sistema APERTO posso permettere lo scambio di MATERIA es. tubo (tubo di thomorex) e confini ideali. L'en. può entrare e uscire sia dai confini reali che ideali (ma in che termini?) In un SISTEMA CHIUSO non si hanno scambi di materia con l'esterno In un SIST. ISOLATO non abbiamo interazione con l'esterno (AMBIENTE), In un MECCANICAMENTE ISOLATO non ci sono scambi di nè calore nè lavoro con l'esterno, la sup. di confine è ADIABATICA

1. Stanza dove possiamo considerare il sistema (pareti e soffitto) i contorni sono rigidi e sono anche isolati, per alcune parete. (Termicamente isolati) ma in ogni caso nel tempo inteso se abbiamo una temp. interna + t. est. avremo uno scambio di calore.
2. Se apriamo finestre e porte abbiamo anche scambio di materia e quindi abbiamo un sist. aperto. Questi sono tutti sistemi che hanno CONTORNI REALI e RIGIDI, alcuni contorni non possono muoversi.
3. Il confine è reale, esiste, però è deformabile.

Pareti/Confini (impermeabili)

Sono pareti che non permettono lo scambio di materia.

Pareti rigida e fissa

Impedisce al sistema che delimita di eseguire o subire un lavoro meccanico.

Parete adiabatica

Non permette scambi di calore.

Sistema isolato

Non permette né scambi di en. meccanica né scambi di calore.

Se facciamo riferimento solo agli scambi di calore e non a quelli di en. meccanica parliamo di SISTEMA ADIABATICO.

Bilancio Energetico di un Sistema Termodinamico

ΔE = ΔEc + ΔEp + ΔU = Q - L

x qualsiasi sistema (aperto o chiuso)

• Sistema chiuso
• ΔEc = 0 (la sostanza contenuta in un sist. chiuso non si muove a livello macroscopico)
• ΔEp = 0
• ΔU = Q - L (a livello microscopico quindi c'è scambio)

Per i sist. chiusi questo bilancio di en. si traduce in un'espressione che identifichiamo come I^o principio dei sistemi chiusi, che nella quale vengono intese la variaz. di energia interna con gli scambi di en. sottoforma di calore e lavoro.

Attenzione:

U è una funzione di stato e dipende dallo stato iniziale e dallo stato finale. L non dipende dalle variaz. intermedie

Mentre Q e L non sono funz. di stato dipendono dalla trasf. effettuata nel sistema.

Forma Differenziabile

dE = dEc + dEp + dU = δQ - δL

Nel sist. chiuso dU = δQ - δL

δ è il differenziale dell'energia

δQ e δL non quantità infinitesime

I^o Principio della Termodinamica

U₂ - U₁ = Q₁₂ - L₁₂

Q₁₂ (a) ≠ Q₁₂ (b)

L₁₂ (a) ≠ L₁₂ (b) la loro diff. sarà sempre uguale perché è uguale a ΔU che non cambia mai

(Q₁₂ - L₁₂) (a) = (Q₁₂ - L₁₂) (b) = U₂ - U₁

Sistema Chiuso (Processo Ciclico)

In un processo ciclico En. iniziale = En. finale

ΔU=0 … non ho variaz. di en. interna

U₁ = U₂

ΔU - Q - L = 0

Q = L

DOMANDA A.

Indicare la classificazione dei sistemi termodinamici in relazione agli scambi di massa e energia.

Per un sist. aperto, partendo dall'impostazione generale del bilancio energetico, giungere alla formulazione del I principio.

DOMANDA B.

Definire cosa si intende per termodinamico e per sistema termodinamico. Indicare le tipologie di sist. termodinamici in relazione agli scambi di en. e massa e proporre alcuni esempi. Descrivere cosa si intende per grandezze e funzioni termodinamiche.

Aperto - Chiuso - Isolato

DOMANDA C.

Indicare cosa si intende per stato termod., processo termod., reversibile e irreversibile e trasform. quasi statica, chiusa, ciclica. Evidenziare le possibili trasf. che si possono descrivere in piano termod. (pV)

DOMANDA D.

Esprimere gli scambi di en. x un sist. chiuso e formulare il I principio x sist. chiusi.

Rapp su un piano termod. (pV) lo scambio di volume x un trasf. a parte isocora e isola re x una trasf. chiusa, indicandone il segno + o - in funzione dello stato iniziale e finale.

DOMANDA E.

Applicare il I principio della termod. alla trasf. isocora e isobara x un sist. chiuso, giustificando i risultati conseguiti.

Definire il calore spec. a pressione e volume costante

DOMANDA F.

Mix adiabatica di 2 oconuti: come si affronta il problema sulla base del I principio della termodinamica, quali sono i passaggi x ottenere le espressioni che permettono di definire lo stato finale del sistema dalla conoscenza delle condizioni iniziali e quali sono i parametri necessari x la definizione di diversi stati

Es. di Calcolo (gas perfetti)

• Serbatoio (pareti rigide e adiabatich) 100 Kg H₂O è t=10°C x 10⁸ Blocco m=5 Kg
• t_B=300°C

t_f=?

2⁰ se m_H2O = 10 Kg, t_f =?

Sistema Acqua

Q_H2O = m c_At = 100 Kg 4,186 _J/_Kg°K (t_f-10°)_k

Sistema Blocco

Q_B = m c_Bt = 5 Kg, 0,44 _J/_Kg°K (t_f-300°)

Per ciascuno di 2 sistemi (t)_u = Q - L: L = Q

Si può confrontare l'en. totale scambiata tra i 2 sistemi attraverso il confine

(t)_u1= (t)_u2

Sist. Acqua + Blocco

Q_H2O + Q_B = 0 _{(stesso risulbolo)}

(t)_u = 100 x 4,186 (t_f-10) + 5 x 0,44 (t_f-300) = 0

t_f = (418,6 x 10 + 2,2 300)/(418,6 + 2,2) = 11,52°C 1⁰

Serbatoio con 10 Kg di H₂O

(t)_u = 10 x 4,186 (t_f-10) + 5 x 0,44 (t_f-300) = 0

t_f = (41,86 x 10 + 2,2 x 300)/(41,86 + 2,2) = 16°C 2⁰

CICLI TERMODINAMICI

DIRETTI: forniscono lavoro

INVERSI: Utilizzano lavoro esterno per:

• sollevare calore alla sorg. a bassa temp.
• fornire calore alla sorg. ad alta temp.

FLUIDO TERMOVETTORE

A GAS: Cicli a gas (Otto, Diesel, Joule-Brayton, Stirling) sempre in fase aeriforme

A VAPORE: Cicli a vapore (Rankine) cambiamenti di fase, Cicli frigorigeni (fluido refrigerante con bassa temp. di solidif.)

CICLI TERMODINAMICI

• CICLI CHIUSI: alla fine del ciclo il fluido ritorna nello stato iniziale e viene rimesso in circolo
• CICLI APERTI: alla fine del ciclo, il fluido viene sost. da fluido fresco

RENDIMENTO DI UNA MACCHINA

Rapporto tra l'en. utile che si ottiene dai processi e l'energia che viene consum.

η = 1/Q₁

MACCHINA SEMPLICE CHE REALIZZA PROCESSO CICLICO

Riscaldamento (evape)

• Q₁

espansione

L_e > 0

Q₂ ≠ 0

Raffreddam. (condes.)

MACCHINA FRIGORIFERA

Condens

• Q₁

Riscaldamento (vaporize)

• Q₂

Q₁ ≠ 0

Q₂ > 0