Teoria fisica

Teoria fisica

Cap.11. Scienze termiche

Scienze termiche: scienze che studiano calore. Con questo termine si indicano le scienze fisiche che studiano l'energia e la trasmissione, trasporto e conversione dell'energia.

Termodinamica

Termodinamica: scienza dell'energia, l'energia è la capacità di produrre cambiamenti. Studia il calore e il lavoro che si possono scambiare tra due corpi e stabilisce il principio di conservazione dell'energia.

Principio di conservazione dell'energia

Principio di conservazione dell'energia: l'energia non si crea, né si distrugge, ma si trasforma.

Variazione dell'energia

Energia entrante – energia uscente.

Tipi di trasformazioni termodinamiche

• Isobara: pressione costante
• Isocora: volume costante
• Isoterma: temperatura costante
• Adiabatica: senza scambio di calore

Fluidodinamica: leggi che comprende

• Legge di Stevino
• Legge di Pascal
• Legge del moto dei fluidi ideali di Bernoulli
• Legge del moto dei fluidi reali dell'attrito viscoso

Trasmissione del calore

È un fenomeno di non equilibrio, studia la potenza della trasmissione di energia. La trasmissione di energia avviene da un corpo a temperatura superiore a un corpo a temperatura inferiore. Lo studio della trasmissione del calore non può basarsi solo sui principi della termodinamica, ma essi costituiscono una base logica per la trasmissione del calore.

I principio trasmissione del calore

Il primo principio richiede che la quantità di energia che si trasferisce in un sistema in un'unità di tempo sia uguale alla quantità di cui l'energia di quel sistema aumenta nell'unità di tempo.

II principio trasmissione del calore

Richiede che il calore si trasmetta nel verso della temperatura decrescente.

Grandezze fisiche fondamentali e unità di misura

• Lunghezza: metro
• Temperatura: kelvin
• Massa: chilogrammo
• Intensità di corrente elettrica: ampere
• Tempo: secondi
• Intensità luminosa: candela
• Quantità di materia: mole

Forza

Massa per accelerazione, si misura in N.

Peso specifico

Peso per unità di volume di una sostanza. Formula: densità per forza di gravità.

Massa

Rimane invariata indipendentemente dalla sua posizione nell'universo. È la proprietà del corpo di essere accelerato.

Peso

È una forza gravitazionale che agisce su un corpo, si misura con il dinamometro metallico.

Caloria

1 J = 4,1855 cal, 1 cal sono 15°C. Unità di misura del calore. La caloria è la quantità di calore da fornire alla massa di 1 g di acqua distillata per alzare la temperatura da 14,5 a 15,5°C.

Cap.21. Sistema termodinamico

Sistema termodinamico

Quantità di materia o regime di spazio che si prende in considerazione.

Contorno

Il contorno è la superficie di contatto condivisa dal sistema e dall'ambiente. Ha spessore nullo e non può contenere massa e volume.

Sistemi chiusi

Detti anche massa di controllo, sono quei sistemi che non permettono il passaggio di materia ma solo trasferimento di energia.

Sistemi isolati

Sono quei sistemi chiusi che non permettono passaggio di materia e trasferimento di energia.

Proprietà intensive e estensive

Le proprietà intensive sono quelle proprietà che non dipendono dalle dimensioni o estensione del sistema, come temperatura, pressione, densità. Le proprietà estensive dipendono dalle dimensioni o estensione del sistema, sono ad esempio la massa, il volume.

Densità

È la massa riferita all'unità di volume. Formula: densità = m/V. La densità di una sostanza dipende dalla temperatura e dalla pressione. La densità della maggior parte dei gas è direttamente proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura.

Densità relativa

La densità di una sostanza riferita a una densità nota è il rapporto tra la densità di una sostanza e la densità di una sostanza di riferimento a una temperatura specificata. È una grandezza adimensionale senza U.I, ma nel S.I il valore numerico della densità relativa di una sostanza è uguale alla densità espressa in 1g/cm³ o 1kg/l.

Equilibrio termodinamico

L'equilibrio deve essere:

• Termico: se la temperatura è la stessa in ogni punto del sistema
• Meccanico: se in nessun punto ci sono variazioni di pressione nel tempo
• Fase: un sistema che comprende più fasi è in equilibrio di fase quando la massa di ogni fase raggiunge uno stato di equilibrio
• Chimico: se la composizione chimica non varia nel tempo

Postulato di stato

Lo stato termodinamico di un sistema semplice comprimibile è completamente determinato da due proprietà intensive indipendenti. Si possono trascurare gli effetti dei fenomeni magnetici, gravitazionali, di moto e tensioni superficiali.

Trasformazione

Ogni cambiamento che un sistema subisce passando da uno stato di equilibrio a un altro.

Linea di trasformazione

La serie di stati attraverso i quali un sistema passa durante la trasformazione.

Trasformazione quasi statica

Se la trasformazione avviene passando attraverso stati di equilibrio, è una trasformazione ideale, non reale.

Trasformazione a flusso stazionario

Una trasformazione a flusso stazionario è una trasformazione che non varia nel tempo.

Equilibrio termico

Quando un corpo è a contatto con un altro a differente temperatura si ha trasferimento di calore dal corpo a temperatura maggiore rispetto al corpo a temperatura minore, fino a che non raggiungono la stessa temperatura. Raggiunta questa condizione il trasferimento di calore termina e si dice che i due corpi hanno raggiunto l'equilibrio termico.

Principio zero della termodinamica

Se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo, allora sono in equilibrio termico tra di loro. Il principio 0 definisce la possibilità di utilizzare un corpo terzo per definire la temperatura. Sostituendo il terzo corpo con un termometro si può riformulare il principio affermando che due corpi, anche non in contatto tra di loro, sono in equilibrio termico se hanno la stessa temperatura letta sul termometro.

Scala termometrica

Scala della temperatura a due punti fissi, misurata secondo il S.I in Celsius.

Scala termodinamica

Scala della temperatura misurata secondo il S.I in Kelvin.

Pressione

La pressione è la forza esercitata in direzione normale da un fluido su una superficie unitaria.

Pressione assoluta

Pressione effettiva in una data posizione e viene misurata rispetto al vuoto assoluto. Formula: pa = pr + patm.

Pressione relativa

pr = pa - patm.

Pressione al vacuometro

pv = patm - pa.

Pressione in un punto

La pressione è una forza di compressione riferita all'unità di area. In un punto qualsiasi in un fluido è la stessa in tutte le direzioni, quindi ha valore numerico ma non ha particolare direzione e verso, perciò la pressione è una grandezza scalare.

Variazione di pressione in profondità

La pressione di un fluido in quiete non varia nella posizione orizzontale ma aumenta all'aumentare della sua profondità.

Differenza di pressione tra due punti

La differenza di pressione tra due punti in un fluido di densità costante è direttamente proporzionale alla distanza verticale (Z2-Z1) tra i punti e alla pressione del fluido. Formula: p2 - p1 = densità * g * (Z2-Z1).

Legge di Stevino

La pressione dei punti all'interno di un fluido alla stessa profondità è uguale purché i punti siano interconnessi dallo stesso fluido in quiete. Formula: p = densità * g * (Z2-Z1).

Legge di Pascal

La pressione esercitata da un fluido confinato da un punto determina un aumento di pressione della stessa entità in tutti i punti in un fluido. Formula: F1 = p1 * A1, siccome p1 = p2, A2/A1 vantaggio meccanico ideale del torchio idraulico.

Cosa ha dimostrato Torricelli

Che la pressione atmosferica si può misurare capovolgendo un tubo pieno di mercurio in una vasca di mercurio in comunicazione con l'atmosfera. Viene inserita la provetta aperta in verticale e mano a mano viene sollevata. Torricelli nota che sollevando rimane piena di liquido, fino a quando arriva al punto che anche se la solleva il livello del liquido rimane lo stesso.

Atmosfera standard

Pressione prodotta da una colonna di mercurio di 760 mm di altezza a 0°C.

Manometro

Strumento per misurare la pressione, costituito da un tubo a U con all'interno uno o più liquidi. Il più semplice è detto manometro differenziale. Se la pressione del gas è uguale a quella atmosferica le due superfici sono uguali.

Tubo di Bourdon

È un tubo metallico cavo, la cui estremità è chiusa e collegata a un indice mobile sul quadrante. Quando è in comunicazione con l'atmosfera il tubo è indeformato e l'indice sul quadrante indica 0 (pressione relativa). Quando sul fluido nel tubo si esercita una pressione, il tubo si allunga e l'indice compie una deviazione direttamente proporzionale alla pressione applicata.

Trasduttori piezoelettrici

Materiali che in funzione alla pressione a cui sono sottoposti generano una tensione elettrica.

Trasduttori di pressione relativa

Usano la pressione atmosferica come pressione di riferimento e forniscono un segnale di uscita 0 a pressione atmosferica, indipendentemente dall'altitudine.

Trasduttori di pressione assoluta

Danno segnale uscita 0 nel vuoto.

Cap 31. Energia elettrica

Energia elettrica

Forma di energia di qualità più alta e la si può trasformare in una qualità più bassa, esempio energia termica, ma non si può fare il contrario.

Forme di energia

• Termica
• Potenziale gravitazionale
• Cinetica
• Nucleare
• Chimica
• Elettrica

Energie macroscopiche e microscopiche

Le energie macroscopiche sono quelle che possiede un sistema nel suo complesso, come energia cinetica e energia potenziale. Le energie microscopiche sono quelle legate alla struttura molecolare del sistema e all'attività delle molecole, ad esempio energia chimica e nucleare.

Energia cinetica

Energia che un sistema possiede per effetto del suo moto. Formula: E_cin = m * (v²) / 2.

Energia potenziale gravitazionale

Energia che un sistema possiede per effetto della sua quota in un campo gravitazionale. È associata a un corpo ma è sempre presente perché dipende dalla gravità. Formula: E_pot = g * m * z.

Energia totale sistema

E = U + E_cin + E_pot.

Sistemi stazionari

Sistemi chiusi dove la velocità e la quota al centro della massa restano costanti durante una trasformazione. La variazione di energia di un sistema corrisponde con la variazione di energia interna.

Lavoro

Scambio di energia tra sistema e ambiente associato all'effetto di una forza per uno spostamento. Il lavoro non è una proprietà intensiva ma dipende dalla trasformazione, è un differenziale non esatto. Scambio di energia non causato da una differenza di temperatura. Formula: L = F * s.

Lavoro motore

Lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente, è positivo.

Lavoro resistente

Lavoro compiuto dall'ambiente sul sistema, è negativo.

Lavoro meccanico

L = F * s * cos(α).

Lavoro elettrico

L_el = V * N (V differenza di potenziale, N carica elettrica). Se considerato come potenza: L_el° = V * I, dove I (n di elettroni che si muovono nell'unità di tempo intesa come corrente).

Sistemi aperti

Implicano un flusso di fluido durante lunghi intervalli di tempo e quindi si esprime il flusso di energia associato a una corrente fluida sotto forma di portata.

Energia interna

È la somma di tutte le forme microscopiche di energia ed è legata alla struttura delle molecole. Queste energie sono statiche. Comprende: energia nucleare, chimica, interna sensibile, latente.

Energia nucleare

Legata al nucleo dell'atomo.

Energia chimica

Associata a un preciso stato chimico.

Energia interna sensibile

Legata all'energia cinetica delle molecole. Comprende energia di traslazione e energia di rotazione. La velocità media e il grado di attività delle molecole sono direttamente proporzionali alla temperatura del gas. Quindi se aumenta la temperatura aumenta anche l'energia interna del sistema.

Energia latente

Legata alla fase del sistema. Per cambiare fase bisogna rompere i legami con le molecole, quindi deve variare l'energia, non la temperatura.

Forme dinamiche di energia

Forme di energia che non sono immagazzinate all'interno del sistema, si manifestano al contorno del sistema quando lo attraversano e rappresentano l'energia ricevuta o persa da un sistema durante una trasformazione. Sono due: calore e lavoro.

Calore

Forma dinamica di energia che si trasferisce tra due sistemi in virtù di una differenza di temperatura.

Energia organizzata e disorganizzata

Il calore è energia disorganizzata, il lavoro è energia organizzata. Da calore si passa al lavoro, ma solo una piccola parte di lavoro può essere trasformata in calore.

Energia meccanica

Forma di energia che può essere convertita completamente e direttamente in lavoro da un dispositivo meccanico ideale quale turbina ideale. Energia cinetica e potenziale gravitazionale sono energie meccaniche. In assenza di dissipazioni, l'energia meccanica si conserva. Formula se fluido fermo: E_mecc = E_pot + E_cin. Se fluido in moto: E_mecc = p/densità + E_pot + E_cin.

Energia termica

Non è energia meccanica perché non può essere convertita completamente e direttamente in lavoro secondo il II principio della termodinamica.

Trasformazione adiabatica

Processo durante il quale non c'è trasferimento di calore. Si può avere quando il sistema è ben isolato termicamente o quando sistema e ambiente sono alla stessa temperatura.

Scambio di calore

• Positivo: da ambiente a sistema
• Negativo: da sistema a ambiente

Punti in comune tra calore e lavoro

• Si riconoscono al contorno del sistema quando lo attraversano
• Nessuno dei due può essere posseduto dal sistema
• Entrambi sono associati a una trasformazione
• Sono funzioni di linea, la loro entità dipende dal percorso e non solo dallo stato iniziale e finale

Primo principio della termodinamica

Considerando un sistema chiuso, tutte le trasformazioni termodinamiche adiabatiche tra due stati di equilibrio avvengono in modo che il lavoro netto compiuto è lo stesso, indipendentemente dalla particolare trasformazione energetica. L'entità del lavoro netto deve dipendere solo dagli stati iniziali e finali del sistema, pertanto deve corrispondere alle variazioni di una proprietà del sistema: energia totale. Variazione energia: E entrante – E uscente (Q entr - Q usc) + (L entr – L usc) + (m entr – m usc) la massa solo se il sistema è aperto.

I meccanismi di trasferimento di energia

• Trasferimento di calore: dall'ambiente al sistema aumenta l'energia delle molecole, da sistema a ambiente diminuisce l'energia delle molecole perché l'energia trasferita proviene dall'energia delle molecole del sistema
• Trasferimento di lavoro: scambio di energia non causato da una differenza di temperatura. Dall'ambiente al sistema aumenta l'energia, da sistema a ambiente diminuisce energia
• Flusso di massa: quando una massa entra nel sistema, l'energia del sistema aumenta, analogamente quando esce, l'energia del sistema diminuisce

Ciclo termodinamico

Quando un sistema parte da uno stato iniziale e subisce una trasformazione e ritorna a tale stato iniziale, ha compiuto un ciclo termodinamico. L_ciclo = Q_ciclo.

Rendimento

Indica la bontà di un processo di conversione a trasferimento di energia. Risultato utile ottenuto/spesa per ottenerlo.

Rendimento dei dispositivi meccanici e elettrici

Il trasferimento dell'energia meccanica è effettuato con un albero motore, quindi è detto lavoro dell'albero. Un ventilatore riceve lavoro meccanico e lo trasferisce al fluido sotto forma di energia meccanica. Una turbina invece converte l'energia meccanica di un fluido in lavoro meccanico. Formula: 1 – E_mecc persa / E_mecc entrante.

Rendimento caldaia

Calore dato all'impianto / calore max estraibile dal metano.

Rendimento lampadina

Potenza luminosa irraggiata / potenza elettrica consumata.

Rendimento di un motore

Potenza meccanica fornita / potenza assorbita dal carburante.

Cap 41. Sostanza pura

Sostanza pura

Sostanza la cui composizione chimica non varia in tutta la massa presa in considerazione. Una sostanza pura non deve essere per forza costituita da un solo elemento chimico, può anche essere costituita da una miscela purché sia omogenea.

Aria

78% azoto, 21% ossigeno, 1% altri gas.

Sostanza non pura

Sostanza che forma zone chimicamente differenti, ad esempio l'olio non è solubile in acqua, quindi galleggia.

Miscela di due o più fasi

Una miscela di due o più fasi di sostanza pura è una sostanza pura se la composizione chimica di tutte le fasi è la stessa (es. miscela di acqua liquida e ghiaccio).

Miscela di aria liquida e vapore

Non è una sostanza pura perché non è chimicamente omogenea, siccome le composizioni chimiche delle due fasi saranno diverse. Questo avviene perché a una data pressione, i gas presenti nell'aria hanno diverse temperature di condensazione.

Fasi di una sostanza pura

Una fase è caratterizzata dall'avere una struttura molecolare omogenea ovunque, distinta e separata da quella delle altre fasi attraverso superfici di controllo facilmente identificabili.

Caratteristiche macroscopiche

• Solido -> ha volume e forma
• Liquido -> ha volume
• Gassoso -> né volume né forma

Caratteristiche microscopiche

• Solido -> costituito da forti legami con le molecole
• Liquido -> legami più deboli