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Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Capitolo 15 La termodinamica.

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1 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Capitolo 15 La termodinamica

2 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Atomi e molecole La molecola è il «grano» più piccolo da cui è costituita una sostanza. A ogni atomo corrisponde un elemento semplice, non ulteriormente scomponibile chimicamente. Gli elementi semplici sono una novantina.

3 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Le forze intermolecolari

4 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lenergia potenziale molecolare Lenergia potenziale di un corpo è uguale al lavoro compiuto dalle forze di attrazione molecolare quando una forza esterna disgrega il sistema, portando tutte le molecole a grande distanza luna dallaltra.

5 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il moto di agitazione termica

6 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il palloncino riscaldato si dilata …

7 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Linterpretazione microscopica della temperatura costante di Boltzmann Lenergia cinetica media K media di una molecola, dovuta al moto di traslazione, è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta.

8 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lenergia interna Si chiama energia interna U di un sistema fisico la somma della sua energia potenziale E pot e dellenergia cinetica complessiva K delle molecole che lo compongono.

9 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Gas reale e gas perfetto Nel gas perfetto lenergia potenziale, dovuta alle forze intermolecolari, è nulla.

10 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Che cosè un sistema? Un sistema è un insieme di corpi che possiamo immaginare avvolti da una superficie chiusa, ma permeabile alla materia e allenergia.

11 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Cosa studia la termodinamica? La termodinamica studia le leggi con cui i sistemi scambiano (cioè cedono e ricevono) energia con lambiente.

12 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Scambi di energia Come fa il sistema a scambiare calore e lavoro con lambiente esterno?

13 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lo stato del sistema gas perfetto Lo stato del sistema «gas perfetto» è descritto da tre grandezze: il volume V del cilindro, la temperatura T del gas e la pressione p che il gas esercita contro le pareti.

14 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lo stato nel diagramma pressione-volume

15 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il principio zero della termodinamica Se il corpo A è in equilibrio termico con un corpo C e anche un altro corpo B è in equilibrio termico con C, allora A e B sono in equilibrio termico fra loro.

16 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lenergia interna di un gas perfetto Nel caso del gas perfetto, lenergia interna è uguale alla somma delle energie cinetiche delle sue molecole.

17 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lenergia interna è una funzione di stato A ogni stato del sistema corrisponde uno e un solo valore dellenergia interna.

18 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Sollevamento pesi Lespansione isobara del gas produce un lavoro positivo.

19 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il lavoro del sistema

20 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il lavoro è unarea trasformazione isobara trasformazione qualsiasi

21 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il primo principio della termodinamica Nei sistemi che scambiano lavoro e calore, lenergia si conserva, cioè la sua quantità totale rimane uguale.

22 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il segno del calore e del lavoro

23 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Trasformazioni isòcore (1) primo principio della termodinamica

24 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Trasformazioni isòcore (2) Nel riscaldamento a volume costante il gas assorbe una quantità Q di calore e la sua energia interna aumenta della stessa quantità.

25 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 La bomboletta spray Il gas della bomboletta si espande senza avere il tempo di assorbire calore dallesterno e si raffredda.

26 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lespansione adiabatica (1) primo principio della termodinamica

27 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Lespansione adiabatica (2) Nellespansione adiabatica il gas compie un lavoro positivo e la sua energia interna diminuisce: il gas si raffredda.

28 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 La pompa della bicicletta Mentre si gonfia la ruota di una bicicletta, la pompa tende a scaldarsi.

29 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 La compressione adiabatica La forza del gas, che preme verso lalto, è diretta in senso contrario allo spostamento del pistone. Il gas compie un lavoro negativo (W < 0) quindi ΔU è positivo: il gas si scalda.

30 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il motore a quattro tempi (a scoppio) Il movimento dei pistoni allinterno dei cilindri del motore di unautomobile è causato dallespansione e dalla compressione di una piccolissima quantità di sostanza gassosa: una miscela di aria e benzina.

31 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Primo tempo: aspirazione

32 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Secondo tempo: compressione

33 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Terzo tempo: combustione-espansione

34 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Quarto tempo: scarico

35 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Trasformazioni cicliche Una trasformazione ciclica è rappresentata nel diagramma pressione-volume da una curva chiusa.

36 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il lavoro in una trasformazione ciclica Il lavoro compiuto dal sistema in un ciclo di funzionamento del motore è uguale allarea del grafico pressione-volume contenuta nella linea chiusa.

37 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Benzina o diesel?

38 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Le macchine termiche Una macchina termica è un dispositivo che realizza una serie di trasformazioni cicliche trasformando calore in lavoro.

39 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il secondo principio della termodinamica Non è possibile realizzare una trasformazione ciclica che trasformi in lavoro tutto il calore prelevato da una sola sorgente. È impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato ( ovvero spontaneamente ) sia quello di fare passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo. Kelvin Clausius

40 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Le centrali termoelettriche

41 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 T2T2 T1T1 Macchina termica W=Q 2 -|Q 1 | Q2Q2 |Q 1 |

42 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Kelvin T2T2 T2T2 T1T1 Proibita da Lord Kelvin Consentita da Lord Kelvin W=QW

43 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 T2T2 T2T2 T1T1 Proibita da Clausius Consentita da Clausius We>0 |Q 2 |=Q 1 +W e |Q 2 |=Q 1 Q1Q1 Clausius T1T1

44 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Se fosse falso lenunciato di Clausius…. T2T2 T1T1 Q2Q2 |Q 1 | macchina anti-Clausius M Q1Q1 W tot =Q 2 -|Q 1 | … sarebbe falso lenunciato di Kelvin

45 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Se fosse falso lenunciato di Kelvin…. T1T1 macchina anti-kelvin Q … sarebbe falso lenunciato di Clausius W=Q T2T2

46 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il rendimento di una macchina termica Il rendimento r è dato dal rapporto tra il lavoro compiuto W e il calore assorbito Q 2.

47 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Il rendimento massimo

48 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Macchine termiche a confronto

49 Amaldi, LAmaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010 Dispositivi elettrici a confronto


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