Termodinamica Introduzione

La TERMODINAMICA è nata per studiare i fenomeni termici, in particolare per studiare il funzionamento delle macchine termiche. La termodinamica si occupa di situazioni in cui la temperatura o lo stato (solido, liquido, gassoso) di un sistema varia a causa di trasferimenti di energia. Essa spiega molto bene la maggior parte delle proprietà macroscopiche della materia e la correlazione fra queste proprietà ed il comportamento degli atomi e delle molecole

La termodinamica descrive i processi in termini di quantità macroscopiche, che vengono fornite in termini di grandezze fisiche che sono percepibili dai sensi e dagli strumenti (volume, massa, pressione, temperatura.) Le grandezze che sono utilizzate per descrivere lo stato di un sistema si chiamano variabili di stato.

Uno degli scopi principali della termodinamica è l’esame del bilancio energetico complessivo di un processo fisico, estendendo l’indagine a scambi di energia che in genere non sono meccanici nel senso macroscopico. Un sistema termodinamico è assimilabile ad un sistema continuo macroscopico, del quale interessa descrivere le sue trasformazioni che il sistema può subire in seguito a scambi di energia (lavoro e calore) che avvengono con l’ambiente circostante individuando le appropriate grandezze fisiche.

Un sistema termodinamico è una porzione del mondo che può essere costituita da una o più parti (esempi: un gas all’interno di un cilindro; un liquido-acqua in equilibrio con il suo vapore; diversi blocchi di materiale solido). Un sistema termodinamico nel subire una trasformazione interagisce con altri oggetti macroscopici che sono collettivamente chiamati ambiente circostante. L’insieme del sistema termodinamico e dell’ambiente circostante viene chiamato universo termodinamico.

Esempio: Un cilindro contenete del gas è un sistema. La sorgente con cui il sistema viene a contatto è l’ambiente circostante. Sistema Ambiente circostante

Un sistema si dice chiuso se scambia con l’ambiente circostante solo energia (un gas contenuto in un recipiente chiuso che scambia calore o lavoro meccanico). Un sistema si dice aperto se scambia con l’ambiente circostante sia energia che materia (un liquido durante l’ebollizione si trasforma in vapore che si riversa nell’ambiente circostante). Un sistema si dice isolato se non scambia con l’ambiente circostante né energia né materia.

La termodinamica si fonda su quattro principi: Principio zero Primo principio Secondo principio Terzo principio

Principio zero della termodinamica Il principio zero della termodinamica riguarda l’equilibrio termico dei corpi, quando questi vengono interagiscono tra di loro.

Principio zero della termodinamica Si abbiano tre corpi, A, B, e C, che si trovano, rispettivamente alle temperature T A, T B e T C. B TBTB CTCTC ATATA Se i corpi A e B sono in equilibrio termico, T A =T B, e se i corpi A e C sono anch’essi in equilibrio termico, T A =T C, allora i corpi B e C sono in equilibrio termico, T B =T C.

Primo principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica è uno dei principi fondamentali della fisica e riguarda il principio di conservazione dell’energia.

Primo principio della termodinamica In meccanica il principio di conservazione dell’energia era stato enunciato nel seguente modo: In un fenomeno fisico la soma dell’energia cinetica, E C, e dell’energia potenziale di interazione, E P, è costante.

Primo principio della termodinamica Nell’analisi di fenomeni fisici reali, e non ideali, dove si prendono in considerazioni altri elementi, come l’attrito e gli urti anelastici, la conservazione dell’energia meccanica è violata. Allora è necessario ampliare il principio prendendo in considerazione i fenomeni termici. Nei fenomeni termici è necessario tener conto del calore, che è un altro modo di trasferire energia.

Primo principio della termodinamica L’energia può essere trasferita in due modi: 1)Lavoro meccanico, L; 2)Calore, Q. Quali sono gli effetti che il calore ed il lavoro meccanico producono su di un corpo? Per rispondere alla domanda è necessario introdurre il concetto di energia interna.

Primo principio della termodinamica I corpi (solidi, liquidi e gas) sono costituiti da atomi e molecole. Nei solidi gli atomi sono legati da interazioni elettriche e disposti, in genere, in modo regolare in reticoli cristalli. Inoltre essi oscillano introno alla loro posizione di equilibrio. Nei liquidi le interazioni sono più deboli e gli atomi hanno maggiore libertà di movimento.

Primo principio della termodinamica Sia per i solidi che per i liquidi al moto degli atomi è associata una energia cinetica, E C, mentre all’interazione elettrica è associata l’energia potenziale, E P. Nei gas perfetti gli atomi si muovo liberamente e tra di loro non vi interazione di qualsiasi tipo. Quindi l’unica energia associata agli atomi è quella cinetica.

Primo principio della termodinamica Per i solidi, i liquidi ed i gas, la somma di tutte le energie, cinetica e potenziale, è detta energia interna, U. In presenza di un gas perfetto, poiché non vi sono interazioni, l’energia interna coincide con l’energia cinetica totale degli atomi e molecole.

Primo principio della termodinamica Dalla teoria cinetica dei gas perfetti, la energia interna, U, è legata all’energia cinetica media degli atomi e molecole dalla seguente relazione: Dove N è il numero di particelle.

Primo principio della termodinamica L’energia interna è legata alla temperatura, T, del gas dalla relazione: L’espressione mette in stretta relazione l’energia interna, U, del gas con la sua temperatura assoluta, T. Questa deduzione è di estrema importanza nello studio delle trasformazioni termodinamiche.

Primo principio della termodinamica Osservazione: Nello studio delle trasformazioni termodinamiche, al fisico non interessa conoscere il valore dell’energia totale interna, U, ma solamente la sua variazione,  U.

Primo principio della termodinamica Come mettere in relazione il lavoro meccanico, il calore e l’energia interna? Per trovare una loro relazione e dedurre la versione ampliata del principio di conservazione dell’energia si prende in considerazione l’esperimento della dilatazione lineare.

Si prende un’asta metallica a cui è poggiato un cubo. Sotto l’asta si posiziona una sorgente di calore. L’effetto è quello di vedere l’asta allungarsi. Poiché il cubo è vicino all’estremo di allungamento dell’asta, durante la dilatazione il cubo si sposta, poiché al suo estremo viene applicata una forza, derivante dalla interazione tra asta e cubo.

Analisi energetica del fenomeno Una quantità di calore, Q, viene fornita all’asta. Come conseguenza si hanno due effetti. 1) L’asta si riscalda, la temperatura, T, aumenta, l’energia interna, U, aumenta. Pertanto si ha una variazione di energia interna,  U.

Analisi energetica del fenomeno 2) L’asta nell’allungarsi interagisce con il cubo e lo sposta. Pertanto sul cubo agisce una forza che lo sposta per un certo tratto. Quindi sul cubo è stato compiuto un lavoro meccanico, L.

Analisi energetica del fenomeno In sintesi: del calore, Q, viene fornito al sistema asta- cubo. Una parte è servita per far variare la temperatura dell’asta,  T, cioè variare l’energia interna,  U; una seconda parte è servita per compiere un lavoro meccanico, L, sul cubo. In una formulazione matematica, il bilancio energetico è:

Primo principio della termodinamica L’espressione è la formulazione più ampia del principio di conservazione dell’energia, che tiene conto sia dell’energia meccanica che dell’energia associata ai fenomeni termici, e costituisce il primo principio della termodinamica.

Primo principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica, quindi, esprime un concetto fondamentale: l’energia si conserva. In genere, il primo principio viene scritto nel seguente modo: cioè la variazione di energia interna,  U, è dovuta al calore ed al lavoro che il sistema scambia con l’ambiente circostante.

Segno degli scambi energetici Nelle interazioni esistono due soggetti: il sistema e l’ambiente circostante. Da questo punto in poi, per sistema si intende un cilindro chiuso contenente un certo gas. Sistema Il sistema interagisce con l’ambiente circostante in due modi: 1) Calore; 2) Lavoro meccanico.

Negli scambi energetici si possono avere quattro possibilità: 1) Il sistema assorbe calore, Q (freccia entrante.) Il calore è considerato un numero positivo, Q +. 2) Il sistema cede calore, Q (freccia uscente.) Il calore è considerato un numero negativo, Q -.

3) Sul sistema viene compiuto un lavoro meccanico, L, il gas subisce una compressione, cioè una diminuzione di volume (freccia entrante.) Il lavoro è considerato un numero negativo, L -. F F Prim a Dopo

3) Il volume diminuisce poiché un agente esterno applica una forza F, che esercita una pressione. Questa è controbilanciata da pressione esercitata dal gas sulle pareti. F F Prim a Dopo h Il lavoro compito dalla forza, F, esterna è

4) Il sistema compie un lavoro, L, sull’ambiente circostante. Il gas subisce una espansione, cioè un aumento di volume (freccia uscente.) Il lavoro è considerato un numero positivo, L +. F F

4) Il volume aumenta poiché il gas esercita una forza F sul pistone, che esercita una pressione sulla sua superficie. La forza è controbilanciata dalla pressione esercitata dall’ambiente esterno sul pistone. F F Il lavoro compito dalla forza, F, interna è

Precisazione:Sul pistone agiscono due forze uguali e contrarie, F e F'. La prima, F, è la forza che le particelle, mediante continui urti, esercitano sulle superfici del cilindro. La seconda, F', è la forza esercitata dall’ambiente circostante sul pistone.

L’innalzamento e l’abbassamento del pistone devono avvenire lentamente in modo che in ogni istante le due forze sia sempre uguali ed opposte. Inoltre si fa l’ipotesi che non vi sia attrito tra cilindro e pistone.