Schemi Fisica tecnica (tutto il programma)

SISTEMA TERMODINAMICO SEMPLIFICATO

È la quantità di materia o la regione di spazio oggetto dello studio, separato con una superficie di contorno (parete), dall'ambiente circostante con un'interfaccia, e esente da reazioni chimiche, nucleari, elettromagnetiche. Può scambiare con l'ambiente:

• MASSA ➔ scambio di materia
• ENERGIA
• LAVORO (energia meccanica)
• CALORE (energia termica)

Il sistema può essere:

• SEMPLICE ➔ non esistono pareti al suo interno
• COMPOSTO ➔ ci sono pareti al suo interno

Le pareti esterne possono essere:

• impermeabili/permeabili ➔ possono permettere o meno scambi di massa (sistema aperto e chiuso)
• mobili/rigide ➔ possono permettere o meno scambi di lavoro
• adiabatiche/non adiabatiche ➔ possono permettere o meno scambi di calore (sistema adiabatico)
• chiuse (adiabatiche, rigide e impermeabili) ➔ sistema isolato

Le proprietà di un sistema sono le sue caratteristiche, e sono costituite da un valore numerico e un'unità di misura (S.I.). Esse si distinguono in:

• INTENSIVE
  • T, temperatura [K]
  • P, pressione [Pa]
• ESTENSIVE
  • M, massa [Kg]
  • N, numero di moli [mol]
  • V, volume [m³]
  • E, energia [J]
    • E_C (cinetica)
    • E_P (potenziale)
    • U (interna)

SPECIFICHE ➔ estensive divise per la massa (ex. calore specifico) e per il numero di moli ( ... moleare)

FUNZIONI DI LINEA

• CALORE (Q) ➔ scambio di energia dovuto a differenze di temperatura tra sistema e ambiente
• LAVORO (L) ➔ scambio di energia dovuto ad una forza il cui punto di applicazione si sposta

Dipendono dal percorso seguito durante la trasformazione e NON sono funzioni di stato.

Lo STATO DEL SISTEMA è la condizione del sistema, descritto dal valore delle sue proprietà termodinamiche.

Uno stato si dice di equilibrio (termo-meccanico, chimico) se le grandezze intensive T e p hanno un valore uniforme nel sistema e, se esso viene isolato dall'ambiente, il valore delle sue proprietà rimane.

Le TRASFORMAZIONI sono cambiamenti che portano il sistema da uno stato ad un altro. Esse sono dovute a:

• Instabilità interna (condizione di non equilibrio)
• Scambi con l'ambiente di energia e massa (che sono associate alla trasformazione stessa, e non ad uno stato del sistema)

Le trasformazioni possono essere:

• T.I.R — TRASFORMAZIONI INTERNAMENTE REVERSIBILISono successioni di stati di equilibrio; in ogni istante è possibile definire con precisione le grandezze termodinamiche; sono trasformazioni ideali che meglio approssimano quelle reali.
• NON T.I.R — TRASFORMAZIONI INTERNAMENTE IRREVERSIBILIDurante la trasformazione vi sono gradienti di proprietà all'interno del sistema.

L'ESPERIMENTO DI JOULE (1847)

Il dispositivo costruito da Joule si compone di un mulino le cui pale sono immerse in un liquido, collegate con un filo ad una carrucola, da cui pende un peso. Quando il mulinello comincia a girare, l'energia potenziale del peso si trasforma in energia cinetica delle pale, ma quando esso si ferma, la sua energia potenziale diminuisce, eppure non vi è più energia cinetica perché il pale sono ferme.

• Il liquido si è scaldato (= è aumentata la sua energia interna).

Questo esperimento dimostra che certe quantità (massa, quantità di moto, energia...) si conservano, cioè non si generano né si distruggono durante le trasformazioni. Tale principio di conservazione consente di studiare il bilancio (energetico, massico, etc.) dei sistemi:

In generale INGRESSI - USCITE = ACCUMULO nel sistema dal sistema all'interno del sito

Quindi, tornando all'espressione del 1^o principio per un sist. aperto:

• mU_c + Q_(in) + ∑L_puls + L_punt - mU_ac = 0
• mD_in + ∑L_(puls) - mD_out = 0
• L_plus + m(Û + PÛ) + Qin₁ + l_(in) - m(Û + PÛ)_usc = 0

H è l'ENTALPIA

• FORMA INTEGRALE ➔ H = U + PV [J]
• FORMA SPECIFICA ➔ h = u + pv [J/Kg]
• FORMA POTENZA ➔ Q_(in) + L_(in) = m(ĥ_out - ĥ_in) [W]
• FORMA INTEGRALE ➔ Q_(in) + L_(in) = H_out - H_in = ΔH [J]
• FORMA SPECIFICA ➔ q_(in) + l_(in) = h_usc - h_in = Δh [J/Kg]

IL CALORE Q è funzione di linea

è positivo se entrante

è negativo se uscente

LE MACCHINE TERMODINAMICHE

(caso generico)

MACCHINA CICLICA

sistema chiuso che esegue un ciclo termodinamico tramite scambi con serbatoio termico

SERBATOI TERMICI

sistemi chiusi, in grado di fornire o assorbire una qualsiasi quantità limitata di calore senza subire variazioni di temperatura (T_c e T_f sono costanti)

I serbatoi di energia termica, siano essi sorgenti calde o pozzi freddi, operano eseguendo al loro interno una TIR.

Vediamo il bilancio del 1^o principio (in termini di potenza) sul pozzo freddo

• ∑ṁ_(in) + ∑Ė_(in) - ∑ṁ_{(out. out)} - ∑Ė_out = d(Me)/dt = m_p du_F/dt
• Q_F^➔ = dU_F/dt
• Il pozzo freddo ha accumulata energia termica al suo interno.

Q_C

Q_F

L

BILANCIO POTENZA

BILANCIO ENERGIA

Sistema Aperto Composto

• regime stazionario, trasformazioni interne

Bilancio 1º Principio (Sottosistemi)

-Q_c = ṁ_c(h₁-h_a) Q_F = ṁ_F(h₂-h_A)

Bilancio 1º Principio (Sottosistemi)

Ṡ_a + Ṡ_irr = ṁ_c(S_b-S_a)

Ṡ_a + Ṡ_irr = ṁ_F(S₂-S_A)

<0 >0

Bilancio 2º Principio (Sistema Complessivo)

Ṡ_irr = ΔS_tct (ṁ_fΔS_f+ṁ_cΔS_c) ≥ ∫_TFdQ_a - ∫_TCdQ_A Q̇_F/T_F - Q̇_a/T_C ≥ 0

N.B.

se T_C〉T_F S_irr〉0

se T_C=T_F S_irr =0

Riudiamo ora il medesimo sistema composto, supponendo però che all'interno di uno dei due condotti ci sia la presenza di un'irreversibilità interna. Non sia TIR.

Bilancio 1º Principio (Sottosistemi)

-Ṡ_a+ Ṡ_irr = ṁ_c(S_b-S_a)

Ṡ_QF +Ṡ_irr = ṁ_F(S₂-S_A)

<0 >0

Bilancio 1º Principio (Sistema Complessivo)

Ṡ_irr = ΔS_tct = ∫_TFδQ_A - ∫_TCδQ_A + Ṡ_irr = Q̇_F/T_F - Q̇_a/T_C + S_irr ≥ 0

N.B.

se T_C〉T_F S_irr ≫0

se T_C=T_F S_irr〉0 comunque

ΔT nullo annulla le irreversibilità esterne ma, se presenti, non quelle interne.