Termodinamica applicata e trasmissione del calore

Ci sono 3 tipi di sistemi:

1. SISTEMA CHIUSO (massa di controllo), in cui il contorno non permette passaggio di

materia, mentre l’energia può essere scambiata con l’ambiente sotto forma di lavoro

o calore;

2. SISTEMA ISOLATO, il cui contorno non permette passaggio né di materia né di

energia;

3. SISTEMA APERTO (volume di controllo), è una regione di spazio delimitata da un

contorno (superficie di controllo) che permette il passaggio di materia in determinati

punti detti “bocche”.

Ognuno di questi sistemi può essere schematizzato ancora per la sua complessità interna,

ovvero la possibilità di venire suddiviso in sottosistemi minori; si hanno quindi sistemi:

 SEMPLICI: un sistema è semplice se è delimitato da un confine, internamente al

quale non esistono altre pareti;

 COMPOSTI: un sistema è composto se è delimitato da un confine, internamente al

quale esistono altre pareti.

2.2 STATO DI UN SISTEMA TERMODINAMICO

Un sistema macroscopico è costituito da un numero grandissimo di costituenti microscopici.

Tuttavia non è utile né possibile descrivere il suo comportamento specificando lo stato di

moto di ogni singola particella. Il sistema viene allora descritto da un insieme di parametri

macroscopici detti VARIABILI O PARAMETRI DI STATO. A questi parametri può essere

assegnato un valore numerico senza conoscere il precedente comportamento (la storia) del

sistema.

Col termine STATO si indica la condizione di un sistema così come è descritta dalle sue

proprietà. In altre parole, lo stato di un sistema a un determinato istante è definito dal

valore numerico che assumono in quell’istante le variabili di stato del sistema.

Uno STATO DI EQUILIBRIO è uno stato in cui le variabili di stato non cambiano in assenza di

stimoli esterni. Quando invece le variabili cambiano, il sistema passa da uno stato A ad uno

stato B e si dice che ha subito una TRASFORMAZIONE.

Uno stato del sistema si dice STAZIONARIO se esso non cambia nel tempo. Nella tecnica, un

sistema in stato stazionario viene detto anche a regime permanente. Si parla invece di

sistemi a regime periodico se le proprietà non sono costanti nel tempo, ma riassumono lo

stesso valore dopo un determinato intervallo di tempo detto PERIODO. La

stazionarietà o meno di uno stato dipende non solo dal sistema, ma dal riferimento scelto:

ad esempio, se io osservo l’espansione di un gas in un ugello da un sistema di riferimento

solidale con la parete dell’ugello, non vedo variazione nel tempo delle proprietà (es. la

pressione) e concludo che lo stato è stazionario. Se invece il mio sistema di riferimento è

solidale con una particella che si muove dentro l’ugello, osservo una variazione di pressione

nel tempo e concludo che lo stato non è stazionario. 8

2.3 EQUILIBRIO DI UN SISTEMA TERMODINAMICO

La termodinamica tratta di stati di equilibrio. Affinché un sistema sia in uno stato di

equilibrio termodinamico si devono avere le seguenti condizioni:

 EQUILIBRIO TERMICO: se la temperatura è la stessa in ogni punto del sistema;

 EQUILIBRIO MECCANICO: se la risultante di tutte le forze interne ed esterne al

sistema è 0.

 EQUILIBRIO CHIMICO: se la composizione chimica del sistema non varia nel tempo,

ossia non si verificano reazioni chimiche.

 EQUILIBRIO DI FASE: quando la massa di ciascuna fase che compone il sistema non

varia nel tempo.

2.4 TRASFORMAZIONI SISTEMA TERMODINAMICO

Si ha una trasformazione quando il sistema termodinamico passa da uno stato di equilibrio a

un altro. Una trasformazione può essere spontanea o indotta dagli scambi del sistema con

l'esterno. Si distinguono due tipi di trasformazioni:

 TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE: sono trasformazioni in cui il sistema si evolve

passando per stati di equilibrio infinitesimamente vicini al precedente.

Affinché, in un qualunque istante, lo stato del sistema sia vicino a uno stato di

equilibrio si devono verificare le seguenti condizioni:

o Le cause che provocano la trasformazione devono essere infinitamente

piccole;

o Le trasformazione è infinitamente lenta.

Il concetto di "abbastanza lento" va inteso relativamente ai tempi di rilassamento

caratteristici del sistema: anche l'espansione dei gas in un cilindro di un motore a

scoppio, che avviene in millesimi di secondo, può molto spesso ess er considerata

"abbastanza lenta".

Trasformazioni del genere possono essere anche “REVERSIBILI” ossia possono essere

invertite, dopo aver avuto luogo, riportando il sistema e l'ambiente nelle condizioni

iniziali senza che ciò comporti alcun cambiamento nel sistema stesso e nell'universo

[ Non è detto che una trasformazione quasistatica sia reversibile: se s ono presenti fenomeni dissipativi, quali

l ’a ttrito, questo non avvi ene. Viceversa, una trasformazione reversibile deve necessariamente essere

qua sistatica.]

 TRASFORMAZIONI REALI: sono trasformazioni in cui il sistema si evolve senza passare

da stati di equilibrio. Trasformazioni del genere sono dette anche “irreversibili” e

corrispondono alla totalità delle trasformazioni reali. Infatti sono le forze di attrito,

sempre presenti nelle trasformazioni, che impediscono la reversibilità poiché:

o Non sono infinitamente piccole;

o Sono sempre forze resistenti: quindi se si invertono le forze che causano la

trasformazione, quella nuova non sarà l’inverso della precedente. 9

Alcuni tipi di trasformazione:

1. Si parla di TRASFORMAZIONE CICLICA O CICLO nel caso di una trasformazione alla

fine della quale il sistema si ritrova in uno stato identico a quella iniziale;

2. Si parla di TRASFORMAZIONE ISO-X nel caso di una trasformazione durante la quale

una variabile termodinamica (X) rimane costante. Ad esempio abbiamo

trasformazioni:

a. ISOCORE, dove il volume specifico del sistema rimane costante,

b. ISOBARE, dove la pressione rimane costante;

c. ISOTERME, dove la temperatura rimane costante.

Le trasformazioni di un sistema possono essere

rappresentate graficamente utilizzando diagrammi che

hanno come coordinate le variabili termodinamiche

dipendenti che caratterizzano il sistema. In questi diagrammi

uno stato è individuato da un punto e le trasformazioni

quasi-statiche sono quindi rappresentate da curve continue.

Le trasformazioni irreversibili non possono essere

rappresentate, quindi si indicano con una generica linea

tratteggiata che collega gli stati A e B.

2.5 VARIABILI DI STATO

Possono essere classificate in:

 ESTENSIVE, che dipendono dall’estensione (o massa) del sistema (massa, volume,

energia totale).

 INTENSIVE, se il loro valore è una funzione locale, ovvero di un particolare punto del

sistema (temperatura, pressione, densità);

Un modo semplice per vedere se una variabile è intensiva o estensiva consiste nel dividere il

sistema in due parti uguali; le proprietà che in ciascuna delle due parti conservano le stesse

quantità sono intensive, mentre quelle che assumono un valore ridotto a metà sono

estensive.

Le grandezze estensive possono essere rese intensive introducendo il loro valore SPECIFICO,

ossia riferito all’unità di massa o di volume.

Dal punto di vista macroscopico, la descrizione della materia viene semplificata

considerando che sia distribuita in maniera continua nella regione di spazio considerata; tale

idealizzazione, nota come ipotesi del continuo, sarà usata in tutto il testo. Quando le

sostanze possono essere considerate come mezzi continui è possibile parlare di proprietà

intensive termodinamiche in un punto. 10

3-PRINCIPALI VARIABILI DI STATO

3.1.DENSITÀ E VOLUME SPECIFICO

La densità in un punto è definita come la massa dell’unità di volume. Invece il volume

specifico è l’inverso della densità.