Termodinamica per l'ingegneria dei materiali

Termodinamica nei materiali

Sistema termodinamico

Il sistema termodinamico è una porzione di spazio con un certo volume che racchiude una certa massa e l'energia riferita a quella porzione di massa. Le molecole stanno insieme per interazioni energetiche. Quando c'è materia in un sistema, c'è anche energia.

Energia interna del sistema

I confini del sistema sono dove avvengono le interazioni con il sistema esterno.

Caratteristiche dei confini

I confini del sistema possono scambiare materia o energia.

• Scambi di materia: i confini del sistema possono essere:
• Impermeabile (non scambia materia)
• Permeabile: almeno un punto in cui viene scambiata materia
• Semipermeabile: passaggio di solo certi tipi di materia
• Scambio di energia:
• Calore
• Lavoro

Calore

1. Confine adiabatico: non viene scambiato calore
2. Confine diatermico: permette lo scambio di calore

Non esiste un confine adiabatico al 100%, ma esiste un confine diatermico al 100%.

Lavoro

Confini rigidi: pareti fisse. Quindi non si modificano le dimensioni e non si scambia lavoro.

Confini mobili (es. cilindro pistone): attraverso lo spostamento mobile ↑ e volume → quindi si ha uno scambio di lavoro.

Ambiente

L'ambiente è una porzione di spazio che condivide un confine con il sistema.

Sistema + ambiente = universo termodinamico.

Sistemi

1. Aperto: scambi in ogni direzione di materia ed energia
2. Chiuso: non permette scambio di materia, ma permette scambio di energia
3. Isolato: massa ed energie costanti

Sistema semplice

1. Omogeneo: in ogni punto le proprietà sono le stesse contenute in una singola fase
2. Isotropo: le sue proprietà sono invariate in ogni direzione
3. Non elettricamente carico
4. Non ci sono effetti superficiali
5. Non agiscono campi elettrici, magnetici o gravitazionali

Sistema composto

Liquido e vapore sono esempi di sistema semplice.

Stato termodinamico del sistema

È l'insieme di tutte le proprietà chimico-fisiche della materia del sistema:

• Pressione
• Temperatura
• Densità
• Capacità termica

f(P_i, V_i, T_i) = ∅ equazione di stato:
p = NRT / (V - b) - a / V²

N = costante
p = RT / V_m³ /_mol

Grandezze estensive e intensive

Estensive: dipendono linearmente dalla massa del sistema.

• Esempio: Volume (V), Entalpia (H), Energia Interna (U)
• ^V̅ = V/N, ^H̅ = H/N, ^U̅ = U/N

Intensive: indipendono dalla massa del sistema.

• Esempio: Pressione (P), Temperatura (T), Densità (ρ)
• ^V̅ = V/m → massa m³/kg = VOLUME SPECIFICO
• Esempio: ^V = V/me è il reciproco della densità ρ = m/V, ρ = 1/^V m³/kg = kg/m³

Ci sono alcune grandezze che non dipendono dalla massa (es. area) che non sono né intensive né estensive.

Equilibrio termodinamico

Un sistema è in equilibrio termodinamico quando tutte le proprietà fisiche del sistema sono costanti nel tempo (sistema isolato).

Sistema aperto in condizioni di equilibrio

1. Le proprietà del sistema non variano nel tempo se rimuoviamo il sistema dal contatto con l'ambiente esterno.
2. Le proprietà del sistema non variano.

Questa è la condizione per lo stato stazionario di un sistema aperto.

Stato stazionario

Entra e esce la stessa quantità di materia. Un blocco a una T che si raffredda.

Il freddo cuore del cubo di metallo + caldo delle pareti.

Quindi non è in condizioni di equilibrio perché non ha le proprietà omogenee in tutto il blocco.

Lo stato di equilibrio è una sequenza di processi di equilibrio.