Schemi: Appunti di Termofisica

Termodinamica

La termodinamica tratta le varie forme di energia, gli scambi di energia e massa tra sistemi, e le trasformazioni (interne o esterne) da una forma all’altra di energia, come da termica a meccanica, e il loro effetto sui sistemi termodinamici.

Il sistema termodinamico

Un sistema termodinamico è una quantità di materia che occupa una limitata porzione di spazio, separato dall’ambiente esterno tramite una superficie di controllo.

Proprietà dei sistemi

• Equilibrio termodinamico: Il sistema tende sempre a raggiungerlo quando le variabili intensive sono uniformi in tutti i punti del sistema e il sistema è contemporaneamente in:
  • Equilibrio meccanico: Non ci sono forze agenti che producano spostamenti.
  • Equilibrio chimico: Non ci sono reazioni chimiche.
  • Equilibrio termico: Non ci sono differenze di temperatura Δt.
• Regime stazionario: Non vi sono fenomeni di accumulo o cessione di calore da parte dell’involucro, le temperature sono costanti nel tempo.

Tipi di sistema

• Aperto: Scambio di energia e massa con l’ambiente esterno.
• Chiuso: Scambio di energia con l’ambiente esterno.
• Isolato: Nessuno scambio con l’ambiente esterno.

Variabili di stato

Le variabili di stato sono proprietà termodinamiche che caratterizzano lo stato del sistema.

• Estensive: Dipendono dalla dimensione/massa del sistema:
  • Massa, volume.
  • Energia interna (U): Energie cinetiche e potenziali di tutte le singole particelle che compongono il sistema (livello microscopico). [J] joule
  • Entalpia (H): Energia interna + lavoro. È utilizzata per calcoli, non è una grandezza reale. [J] joule → H=U+pV, ΔH=ΔU+pΔV+VΔp
• Intensive: Non dipendono dalla dimensione/massa del sistema:
  • Pressione, densità...
  • Energia interna specifica (u): Energia interna/massa. Serve a svincolarsi dalle dimensioni del sistema [J/kg] → u=U/m
  • Entalpia specifica (h): Entalpia/massa [J/kg] → h=H/m
  • Temperatura (T o t): Energia cinetica posseduta dalle molecole che compongono il sistema. Si misura per via indiretta con un termometro. 3 scale di temperatura:
    • t centigrada Celsius: Tarata, alla pressione atmosferica, su temperatura di fusione del ghiaccio (0°C) e temperatura di ebollizione dell’acqua distillata (100°C).
    • T centigrada Kelvin: Lo zero corrisponde al valore minimo di temperatura ottenibile (-273,15°C) → T(K)=t(°C)+273.15
    • t Fahrenheit: t(°F)= t(°C)+32

Scambi di energia

• Calore (Q): Energia scambiata grazie a una differenza di temperatura Δt (la forzante). È >0 se entrante. Lo scambio di calore avviene da zone a temperatura maggiore a zone a temperatura minore. Si misura indirettamente col calorimetro misurando Δt [J] joule. 1 kcal=4186 J
• Capacità termica (C): Calore necessario per aumentare la temperatura di 1°C [J/K] → C=Q/Δt
• Calore specifico (c): Calore necessario per aumentare la temperatura dell’unità di massa di 1°C [J/(K kg)] → c=Q/(Δt m)=C/m
• Lavoro: Energia scambiata grazie a una forza che produce uno spostamento lungo la direzione della forza stessa. È >0 se uscente. Lavoro termodinamico: compressione o espansione di un gas.
  • Trasformazione reversibile → L = ∫ ...
  • Trasformazione irreversibile → L = R:∫ lavoro delle forze di attrito.

Modalità di trasmissione del calore

Conduzione termica

La conduzione termica implica contatto tra particelle. Ci sono due regimi:

• Variabile (estate): Le grandezze variano nel tempo, bisogna tener conto della capacità di accumulo dei corpi.
• Stazionario (inverno): Le grandezze sono costanti nel tempo: energia entrante = energia uscente.

Legge di Fourier: Permette di stabilire il flusso termico che attraversa una parete. In una parete monostrato e a regime stazionario → s: spessore parete; λ: conducibilità; Δt: temperature delle 2 facce della parete.

Conducibilità termica (λ)

È l’attitudine di un materiale a trasmettere il calore per conduzione. Dipende da temperatura e umidità [W/mK].

Resistenza termica

R = s/λ [m K/W]

• Conduttanza (C): λ/s [W/m K]
• Posso sommare le resistenze ma non le conduttanze.

Conduzione termica in parete multistrato

Trasmittanza: U = ...

Profili di temperatura in parete multistrato → t = t₁₂ - t₃ = t₂ ... ecc t₁ = t₁₂ - U(t_si - t_ae)R

Convezione termica

La convezione termica avviene tra solido e fluido a contatto: il primo strato di fluido si scalda per conduzione, le particelle perdono massa e salgono verso l’alto sostituite da particelle più fredde, le particelle calde si raffreddano e ricadono in basso: ciclo.

Legge di Newton → h: coefficiente di scambio termico convettivo.

• Convezione naturale
• Convezione forzata: Vi è una forzante naturale (vento) o meccanica (ventilatore). Dipende anche dalla velocità del fluido.

Irraggiamento termico

L'irraggiamento termico avviene tra solidi interfacciati, per onde elettromagnetiche con moto ondulatorio. Concetti generali:

• Lunghezza d'onda (λ): Distanza percorsa dall’onda in un’ondulazione completa (tra 2 picchi) [μm o nm].
• 0.2-0.38 μm: UltraVioletto - solare ≈6000K
• 0.38-0.78 μm: visibile - solare ≈6000K
• 0.78-3 μm: infrarosso vicino (NIR) - solare ≈6000K
• 3-100 μm: infrarosso termico (IR) - termica ≈300K

Effetto serra: il vetro scherma le radiazioni termiche ma non quelle solari.

• Frequenza (f): Numero di oscillazioni nell’unità di tempo [Hz].
• Velocità di propagazione (c): [m/s].
• Fattore di assorbimento (α): α+ρ+τ = 1
• Fattore di riflessione (ρ)
• Fattore di trasmissione (τ)
• Emittanza (E): Flusso per unità di superficie → E = ...
• Corpo nero: Assorbe tutta la radiazione incidente su di esso ed emette la massima energia possibile.

Leggi sull'irraggiamento termico

• Legge di Planck: L’emittenza spettrale dipende dalla lunghezza d’onda e dalla temperatura assoluta → E = f(T,λ)
• Legge di Stefan-Boltzmann: E = σT⁴, σ=5.67*10^-8 W/m²K⁴
• Legge di Wien: La lunghezza d'onda alla quale è massima l'emittenza spettrale ...