Riassunto esame Fisica Tecnica Ambientale, libro consigliato Fisica Tecnica Ambientale. Termodinamica, Moncada, lo Giudice: termodinamica

2. TERMODINAMICA

2.1 RICHIAMI DI TERMODINAMICA

TERMODINAMICA → scienza che studia la trasformazione di una forma di energia in altre forme

SISTEMA → regione dello spazio limitata o quantità di materia definita

SISTEMA APERTO → scambio di energia e massa

SISTEMA CHIUSO → scambio di sola energia con l'ambiente

SISTEMA ISOLATO o ADIABATICO → impedito scambio di calore

SISTEMA DIATERMICO → scambia calore con l'ambiente

TERMODINAMICA CLASSICA → approccio macroscopico sperimentale, permette di definire il sistema per mezzo di grandezze misurabili (GRANDEZZE OGGETTIVE)

→ possibilità di studiare il sistema senza poter giungere in micro

SISTEMA OMOGENEO → 1 sola fase

SISTEMA ETEROGENEO → + fasi

Corpo in CONDIZIONI DI EQUILIBRIO:

• Equilibrio Meccanico → uniformità di pressione nel sistema
• Equilibrio Chimico → no reazioni chimiche
• Equilibrio Termico → no flussi di calore

Affinché ci sia equilibrio meccanico e termico è necessario che le grandezze di stato siano costanti

mmassa uenergia interna specifica Ttemperatura vvolume specifico Ppressione = cost

• GRANDEZZE DI STATO
• ESTENSIVE V, m, U (dipendono dai materiali presenti)
• INTENSIVE T, P (non dipendono dai materiali presenti)

Temperatura

valori di p e V dei due sistemi una raggiungendo una condizione di equilibrio

f(p₁, V₁, p₂, V₂) = 0

Esiste una grandezza di stato della temperatura che assume lo stesso valore in due sistemi che posti a contatto termico tra loro, hanno raggiunto le condizioni di equilibrio.

PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA

f(p₁, V₁) = T

f(p₂, V₂) = T

CALORE scambiato tra sistema e ambiente grazie a una differenza di temperatura

REGOLA DI GIBBS per la descrizione fisica del sistema in stato di equilibrio e rispecchiante il numero di variabili indipendenti

n = C - F + 2 variabili indipendenti

In un sistema monocomponente C = 1 e quindi F = 2;

n = 1 - 2 + 2 variabili indipendenti

f(P, V, T) = 0 per GAS PERFETTO

P V = RT = R

Enunciato: Se il sistema compie una trasformazione termodinamica in cui passa da uno stato di equilibrio A a B, la differenza tra Q (calore scambiato dal sistema) e L (lavoro compiuto dal corpo) è uguale alla variazione di U (energia interna), esprime lo stesso risultato ed è lo stesso valore (che dipende dagli stati di equilibrio A e B).

ENTROPIA: dQ/T

CALORE SPECIFICO: dQ/dT

variazione di temperatura dT a seguito di somministrazione di calore dQ

differenziale esatto dell'energia interna U nelle variabili T e V:

du = (∂U/∂T)_V dt + (∂U/∂V)_T dV

Se la trasformazione è isocora dV = 0

dQ = dU per 1° principio

calore specifico a volume costante

c_v = (∂U/∂T)_V → dU = c_v dt

per processo a volume costante reversibile

dQ = dU = c_v dT

ENTALPIA: H = U + pV

PROPRIETÀ TERMODINAMICHE GAS PERFETTI:

• LEGGE DI BOYLE - MARIOTTE [isoterma]se T = cost → pV = cost
• LEGGE DI GAY-LUSSAC [isocora]se V = cost → p = p₀ (1 + βΔT)
• LEGGE DI VOLTAse P = cost → …

Calore Specifico

• Calore necessario per innalzare di 1°C la temperatura di una data quantità

1→2 p₂dV

• Calore specifico aumenta lavoro positivo fatto dal sistema
• Calore specifico diminuisce lavoro negativo fatto sul sistema

Capacità Termica

ΔQ = C_N ΔT eq. calorimetrica

Dal 1^o principio della termodinamica

dU = dQ - dL

dU + pdV C = ^dQ/_dU

[J/°K]

• con calore dU aumenta pdV diminuzione interna

Il calore specifico dipende dalla trasformazione effettuata

PV = RT

• in isoterma PV = cost

U = f(T) Se mi sposto su una isoterma U non cambia

• Punto da A mi sposto su isoterma tutto è un equilibrio europeo

Trasf. 1 vado da A a B attraverso isocora 2 Trasf. 2 se c'è pdV da aggiungere un calore

specifico più grande C_V

dS₁ = ^dQ_c1⁄_T1 + ^dQ_c4⁄_T1 - ^dQ_T⁄_T1

dS₂ = ^dQ_c2⁄_T2 + ^dQ_c3⁄_T2 - ^dQ_T⁄_T2

Salti scambiati con il ciclo

dS = ^dQ_c1⁄_T1 + ^dQ_c2⁄_T2 - ^{(dQ_c1 + dQ_c2)}⁄_T2 + dQ_t(¹⁄_T2 - ¹⁄_T1)

T₁ > T₂ → (¹⁄_T2 - ¹⁄_T1) > 0 sempre c.v.d.

Entropia è sempre sinonimo di trasformazioni irreversibili

Trasformazione Adiabatica Reversibile

∫_A^{B dQ_c}⁄_T = 0

∫_A^{B dQ_irr}⁄_T = 0 → isentrofica

Trasformazione Adiabatica Irreversibile

∫_A^{B dQ_c}⁄_T = 0

∫_A^{B dQ_irr}⁄_T ≠ 0 → entropia crescente

Trasformazione Finita Da A a B Irreversibile

S_B - S_A = ε_i ∫_A^{B dQ_ci}⁄_Ti + ε_i ∫_A^{B dQ_irri}⁄_Ti + ε_i ∫_A^{B dQ_Ti}⁄_Ti

S_B - S_A ≥ ∫_A^{B dQ}⁄_T → Ineguazione di Clausius

OSS Entropia

• Tutte le trasformazioni spontanee in natura sono irreversibili → Si forma entropia
• Universo E sistema isolato → non scambia calore → entropia aumentata

Diagramma T-S

Temperatura - Entropia

Usato per valutare gli scambi termici nei cicli.

Equazione generale calorimetrica:

• dQ = C dT
• dQ = TdS
• C = dQ/dT
• dS = dQ/T
• S_M - S_A = C₀ ln (T_M/T_A)

Valore specifico/unità di massa.

Area scambio = calore scambiato