Termodinamica, Gas ideali, meccanismi di trasferimento del calore

Termodinamica

Principio di conservazione

In sist. isolato en. cinetiche potenziali: conservazione, fissavole sist. non → scelte e/o esistono forze non conservative → en. meccaniche può aumentare e diminuire in relazione al lavoro e al calore.

Sistema termodinamico

Porzione macroscopica di materia separata dall'esterno e che posso.

• Chiuso → non scambio.
• Isolato → non scambio nessuna en. né energia.
• Aperto → scambio di massa o energia.

I sistemi con cui il sistema considerato scambia energia si chiamano sorgenti.

Le consideriamo le sorgenti e il sistema come un tutt'uno: questo sale in insieme isolato perché non scambia nulla con nessuna delle sorgenti.

Variabili termodinamiche

• Pressione (P).
• Volume (V).
• Temperatura (T).
• N di moli (n = N/N_A).

Non sono indipendenti tra loro.

Legare della legge di stato. In caso di gas perfetti.

Fisica: termodinamica

Principio di conservazione

In sist. isolato en. cinetiche + potenziale → conservazione → delle forze conservatrici.

Il sist. non è isolato e/o esistono forze non conservative → en. meccanica può aumentare e diminuire in relazione al lavoro e al calore.

Sistema termodinamico

Porzione macroscopica di materia separata dall'esterno e che hemos.

• Chiuso → non scambia massa (materia).
• Isolato → non scambia né massa né energia.
• Aperto → scambia massa ed energia.

I sistemi con cui il sistema considerato scambia energia si chiamano sorgenti.

Se consideriamo le sorgenti e il sistema, come un tutt'uno questo sarà un sistema isolato perché non scambia nulla con nessun altro sorgente.

Variabili termodinamiche

• Pressione (P).
• Volume (V).
• Temperatura (T).
• N di moli (n = N/N_A).

Non sono indipendenti tra loro. Legare delle legge di stato.

Nota: ci occupiamo della termodinamica in cui non avvengono reaz. chimiche, n di moli è cost. In caso di gas perfetti:

r(P,V,T,m) = 0

Cioè: PV = mRT.

PV = 0mRT.

Sistema in equilibrio

• Eq. meccanico tra forze di sst → ambiente e amb → sistema.
• Eq. termico tra parti del sst e sst-amb.
• Eq. chimico, non sono in corso reaz. chimiche.

Principio zero della termodinamica

Un sist. isolato raccorda la termo. dopo un lungo tempo.

Prima tero: due sist. a stati termici diversi che interagiscono raggiungono dopo un certo tempo uno stato termico comune.

Se A è in eq. termico con C, allora A e B sono in eq. termico.

Cioè:

Definizione temperatura

Empiricamente → si osserva che i corpi possono avere stati termici diversi.

Per uno stesso sist. termico si osserva che a diversi stati termici si associano dimensioni di grandezze diverse.

Durante le trasformazioni di fase la temperatura rimane costante.

Scala Celsius

Utilizza temperature dell'acqua per convenzionale e comodità.

0°C - 100°C.

Termometro di espansione.

Scala Kelvin

T(K) = t(C) + 273,15.

Termometro a gas.

Legge di Stevino.

Motivo fisico → vedi grafico sul slides.

Scala sempre positiva e sempre crescente.

Ha stesso intervallo della scala Celsius.

Temp. nulla → non è possibile.

Dilatazione termica

A pressione costante il volume in funzione della temperatura è:

V(t) = V(t₀)(1 + β Δt).

ΔV = β∙Δt.

È una sfera.

Volume iniziale.

Intervallo di temp. in C se è piccolo.

Intervallo in K se T grande.

Se il solido si espande principalmente in una direzione:

l(t) = l(t₀) (1 + α Δt) ⇒ con Δl = le con L ≍ β l3.

Coeff. di dilatazione lineare.

Forza generata su superficie

F = S 2 E Δt.

Calore

Il calore è energia trasferita (che si trasferisce).

Non si misura in J ma in calorie.

Quant. di calore necessario a determinare una variazione di 1°C in un grammo di acqua da 14,5°C a 15,5°C.

Calore e temperatura

Se t₁ → t₂ (cambia la temp.):

Q = m C (t₂ - t₁).

[c] = [J/kg °C].

Calore specifico.

Capacità termica

C = mc.

Massa.

Temp. che raggiungo.

Posso avere: t₂ = t₁ + Q / mc (esempio di applicazione).

• Q > 0 → sist. assorbe energia (t₂ > t₁).
• Q < 0 → sist. cede energia (t₂ < t₁).

Temperatura di equilibrio

→ media pesata.

Se t₁ > t₂:

Q₁ = m₁c₁(te - t₁).

Q₂ = m₂c₂(te - t₂).

Q₁ + Q₂ = 0 → m₁c₁(te - t₁) + m₂c₂(te - t₂) = 0.

Non scambia nulla con niente altro.

te = m₁c₁t₁ + m₂c₂t₂ / (m₁c₁ + m₂c₂).

Transizione di fase

Quando abbiamo transizione di fase Q necessario è:

Q = λ/m.

Cost. di proporzionalità (valore tabulato).

Cioè: calore lat. di fusione, di evaporazione, di solidificazione.

Potenza

POTENZA = Q/tempo.

Fisica: trasformazioni termodinamiche

Fenomeno per cui un fluido/gas che si trova in un certo stato termodinamico è dovuto:

• Quasi statico → trasformazioni avvengono in tutti i punti del sistema in modo tale da raggiungere equilibrio termico.
• Reversibile → in assenza di attrito, inverte il segno delle grandezze fisiche, il sistema si riporta all'inizio e permette per gli stessi stadi. È quasi statica.
• Spontanea → avviene senza intervento esterno.
• Irreversibile.
• Quasi statica senza attrito.
• Ciclica → ritorna allo stato iniziale.
• Isoterma → evolve a temp. costante.
• Isocora → evolve a volume costante.
• Isobara → evolve a pressione costante.
• Adabatica → avviene senza scambio di energia termica con ambiente.

Lavoro

• L > 0 → espansione.
• L < 0 → compressione.
• Q > 0 → assorbì calore.
• Q < 0 → cede calore.

Non lo calcoleremo mai.

Area sotto la curva è il lavoro.