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1 Calore Termodinamico Uno degli obiettivi della termodinamica è lo studio dei modi in cui il sistema ed ambiente si scambiano energia (lavoro e calore).

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Presentazione sul tema: "1 Calore Termodinamico Uno degli obiettivi della termodinamica è lo studio dei modi in cui il sistema ed ambiente si scambiano energia (lavoro e calore)."— Transcript della presentazione:

1 1 Calore Termodinamico Uno degli obiettivi della termodinamica è lo studio dei modi in cui il sistema ed ambiente si scambiano energia (lavoro e calore). Il sistema a temperatura differente rispetto allambiente tende a raggiungere una configurazione di equilibrio termico. Il calore è lenergia che fluisce tra un sistema e il suo ambiente a causa della differenza di temperatura fra essi. Per convenzione: Sistema T s Ambiente T A Se T S < T A Se Q > 0 Sistema T s Ambiente T A Se T S > T A Se Q < 0 Pareti conduttrici

2 2 Trasmissione di calore: conduzione 1. conduzione: ha luogo quando si realizza un trasferimento di energia da un corpo allaltro posti a contatto ed a diverse T. La potenza termica P trasmessa attraverso una lastra di materiale omogeneo: k coefficiente di conducibilità termica A seconda del valore di k distingueremo le sostanze in buoni o cattivi conduttori

3 3 2. Convezione: processo per il quale il calore si trasmette da una regione ad unaltra del fluido. Avviene quando il fluido è a contatto con un oggetto la cui temperatura è diversa da quella del fluido. Moto convettivo: le parti di fluido più calde (meno dense) vengono spinte verso lalto e sostituite da quelle più fredde. Circolazione convettiva. Trasmissione di calore: convezione

4 4 Trasmissione di calore: irraggiamento Irraggiamento: Per avere trasferimento di calore non è necessario che ci sia materia. Un corpo a T emette energia sotto forma di onde e.m. che si propagano nello spazio, anche se vuoto. Lenergia del sole viene trasportata da onde e.m. Tutti gli oggetti emettono (ed in parte assorbono) radiazione elettromagnetiche dipendenti dalla loro T.

5 5 Trasformazioni Termodinamiche Sistema in equilibrio termodinamico: improvvisamente viene alterato per es. lequilibrio meccanico. 1.Il pistone sotto lazione della pressione interna, non più bilanciata dal peso, si mette in moto. 2.Lattrito tra pistone e cilindro fa variare la temperatura del gas. 3.Il sistema raggiunge un nuovo stato di equilibrio, attraverso stati di non equilibrio. TRASFORMAZIONE Gas contenuto in in un cilindro dotato di pistone mobile.

6 6 Trasformazioni Trasformazione termodinamica: se vengono meno le condizioni di equilibrio termodinamico. Il sistema passa da uno stato i ad f. Irreversibile: il sistema viene riportato nello stato i, lambiente circostante è cambiato Reversibile: il sistema viene riportato allo stato i in modo che lambiente circostante torni allo stato originale IDEALE!! Quasi statica Il sistema passa per stati di equilibrio o molto prossimi a stati di equilibrio Gas contenuto in in un cilindro dotato di pistone mobile.

7 7 Rappresentazione di una trasformazione V P i f Le coordinate termodinamiche sono definite solo allequilibrio termodinamico. Trasformazione irreversibile: le coordinate term. Sono definite in i e f. Trasformazione reversibile: tutti gli stati intermedi sono di equilibrio per i quali sono definite le coordinate termodinamiche. P i f Piano di Clapeyron

8 8 Il lavoro in termodinamica Sistema ed ambiente si scambiano energia: vediamo ora il lavoro fatto dal sistema (per es. un gas ideale) sullambiente o dallambiente sul sistema. Se il gas si espande, se aumentiamo la T: x F e =P atm S Esercitata dallesterno (il pistone) sul gas Cui corrisponde una uguale opposta esercitata dal pistone sul gas

9 9 Il lavoro in termodinamica Trasformazione reversibile: dW = -pdV P i f V W sul gas 0 compressione (devo compiere un lavoro!!!) il lavoro dipende dalla trasformazione da i f La forza di pressione non è conservativa

10 Lavoro termodinamico 10 A D C B 1 1 lavoro 2

11 11 A D C B 1 2 lavoro 2 Lavoro termodinamico

12 12 Il Lavoro dei gas ideali P V

13 13 Esperimenti di Joule (1800): lacqua il sistema termodinamico in un recipiente a pareti adiabatiche 1. mulinello viene messo in rotazione compiendo del lavoro fornito dalla variazione energia potenziale di due masse che scendono sotto lazione della forza di gravità. Lacqua si riscalda per effetto dellattrito. 2.Nellacqua viene messo un conduttore di resistenza R percorso da corrente. 3.Vengono strofinati due blocchi di metallo immersi nellacqua. Lavoro adiabatico il lavoro adiabatico, qualunque esso sia, speso per portare il sistema dallo stato iniziale a quello finale è proporzionale alla variazione di temperatura.

14 Energia interna 14 Data lindipendenza del lavoro dal percorso esiste una funzione del sistema U, detta energia interna, tale che: U è una funzione di stato, che dipende solo dallo stato del sistema (ossia dalle coordinate termodinamiche.) Per una trasformazione infinitesima:

15 15 Il I principio della termodinamica Lo stesso aumento di temperatura si può ottenere, anche senza compiere lavoro termodinamico, avvicinando per esempio avvicinando allacqua un corpo più caldo: scambio di calore. Se si può ottenere lo stesso cambiamento di stato (segnalato dalla variazione di T) sia tramite calore che lavoro meccanico possiamo postulare lequivalenza degli effetti: Con scambio di calore con lavoro nullo: Q è il calore scambiato, senza lavoro esterno, per far cambiare di T la temperatura di una massa di acqua e W il lavoro che deve essere speso, in condizioni adiabatiche, per ottenere la stessa variazione di temperatura, sono uguali: equivalenza tra calore e lavoro.

16 16 Il I principio della termodinamica Se il sistema compie una trasformazione dallo stato A allo stato B, scambiando sia calore che lavoro, sperimentalmente si vede che Q e W dipendono dalla trasformazione, mentre Q+W è indipendente dalla trasformazione: I principio della termodinamica Lenergia interna è una funzione di stato le cui variazioni danno gli scambi energetici del sistema con lambiente. Se durante una trasformazione si fornisce energia al sistema, tramite lavoro o scambio di calore, questa resta immagazzinata sotto forma di energia interna.

17 17 sistema ambiente W > 0 W < 0 Q> 0 e W>0 aumentano lenergia interna del sistema Il I principio della termodinamica

18 18 U non dipende dalla trasformazione W dipende dalla trasformazione Q dipende dalla trasformazione V cost. W = 0 U = Q o Adiabatica Q = 0 U = W P cost. W = -p (V f -V i ) Q = U + p (V f -Vi) Q funzione di stato sia per trasformazione che irreversibile. Il I principio della termodinamica

19 19 La calorimetria Si definisce capacità termica, media: Q quantità di energia termica trasferita ed la variazione di T (caratteristica del corpo): Pari al calore necessario per far variare di 1 K la temperatura di un corpo. Si definisce calore specifico, medio: (caratteristica del materiale): Pari al calore che occorre scambiare con lunità di massa di una sostanza, alla temperatura T, per farne variare la temperatura di 1 K. Capacità termica ad una particolare T:

20 20 Il calore specifico dipende dalla sostanza dipende dalla T, si considera costante per piccole variazioni, da T amb dipende dalla trasformazione con cui viene ceduto calore

21 21 Misura del calore specifico

22 22 Il serbatoi di calore Definiamo sorgente di calore o serbatoio un sistema termodinamico ossia un corpo con capacità termica praticamente costante e che quindi può assorbire o cedere calore restando a temperatura costane. Ad es. una grande massa di acqua o aria. Q > 0 per il sistema, < 0 per lambiente Q 0 per lambiente

23 23 Lequivalente meccanico del calore Dalla definizione di calore specifico, fu introdotta lunità di misura per il calore: la caloria come la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un grammo di acqua da 14.5°C a 15.5°C alla pressione atmosferica. Lo stesso cambiamento di stato si ottiene anche effettuando solo del lavoro adiabatico Joule esegui una seria con cui determinò: Lequivalente meccanico del calore, ossia la relazione tra la caloria e lunità di misura del lavoro, Joule. 1 caloria = J Joule

24 24 Calori specifici molari Per un gas ideale il C o c dipende dal modo in cui il calore è somministrato, per una trasformazione infinitesima isocora o isobara:

25 25 Lenergia interna del gas perfetto (esperienza di Joule) p = 0 pipi Pareti rigide Sperimentalmente: T costante Espansione a V i V f T costante

26 26 Calori specifici molari Se Cp e Cv sono costanti Ossia i calori scambiati dipendo solo dalla variazione di temperatura. Consideriamo due trasformazioni, cui corrisponda la stessa T: A B C V > 0 è il gas che tende a fare un W < 0 Il calore che bisogna cedere a una mole di gas ideale per far aumentare la sua temperatura di 1 K è maggiore a pressione costante che a volume, perchè a pressione costante il gas compie anche un lavoro.

27 27 Calori specifici molari Per P costante dp= 0

28 28 Gas monoatomici Gas biatomici Per una gas ideale sia c V che c p dipende solo da T Relazione di Mayer Rapporto dei calori specifici

29 29 per qualsiasi trasformazione V cost. P cost. equazione di stato Relazioni di Mayer Riassumiamo

30 30 Studio di trasformazioni: isoterme reversibile Tolti i pesetti, il gas si espande, V aumenta, la p diminuisce, Q assorbito dalla sorgente. T costante Espansione : W 0 Compressione : W > 0 e Q < 0 Reversibile Nulla del lavoro rimane immagazzinato nel gas sotto forma di energia interna

31 31 Studio di trasformazioni: isocore reversibile Affinché la trasformazione sia reversibile: utilizziamo infinite sorgenti. Tutto il calore che entra Q > 0 viene immagazzinato sotto forma di energia interna. T > 0

32 32 Studio di trasformazioni: adiabatica reversibile Espansione: W < 0 e U < 0 il gas si raffredda. Compressione W > 0 e U > 0 il gas si riscalda.

33 33 Studio di trasformazioni: adiabatica reversibile

34 34 Studio di trasformazioni: adiabatica

35 35 Pendenza della adiabatica e isoterma entrambe hanno pendenza negativa ladiabatica ha una pendenza volte maggiore adiabatica isoterma

36 36 Cambiamenti di fase Cambiamento di fase: ossia passaggi di una sostanza da una fase allaltra. la temperatura non varia la quantità di calore scambiata:


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