Indice Principi della termodinamica Principi di conservazione Trasformazioni dei gas Equazione di stato dei gas Salvatore consoli
1° Principio termodinamica Fornisce una precisa definizione del calore. Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. Per spiegare questo fenomeno, gli scienziati del XVIII secolo supposero che una sostanza, presente in maggior quantità nel corpo più caldo, passasse nel corpo più freddo. Questa sostanza ipotetica, detta "calorico", era pensata come un fluido capace di muoversi attraverso la materia. Salvatore consoli
1° Principio termodinamica Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore come una forma di energia che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è una sostanza materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,186 joule.Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro; non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto "moto perpetuo di prima specie". Salvatore consoli
2° Principio termodinamica Impone un'ulteriore condizione alle trasformazioni termodinamiche.Esistono diversi enunciati , tutti equivalenti, di questo principio e ciascuna delle formulazioni ne mette in risalto un particolare aspetto. Esso afferma che è impossibile realizzare una macchina ciclica che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo a un corpo a un corpo caldo (enunciato di Clausius) o, equivalentemente, che è impossibile costruire una macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola sorgente (enunciato di Kelvin). Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto "moto perpetuo di seconda specie". Salvatore consoli
3° Principio termodinamica È strettamente legato al secondo, e in alcuni casi è considerato come una conseguenza di quest'ultimo. Può essere enunciato dicendo che è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di trasformazioni e fornisce una precisa definizione di grandezza chiamata, appunto, ENTROPIA. L'entropia si può pensare come la misura di quanto un sistema sia vicino allo stato di equilibrio, o in modo equivalente come la misura del grado di disordine di un sistema. Il terzo principio afferma che l'entropia, cioè il disordine, di un sistema isolato non può diminuire. Pertanto, quando un sistema isolato raggiunge una configurazione di massima entropia non può subire trasformazioni: ha raggiunto l'equilibrio. Salvatore consoli
I principi di conservazione Leggi della fisica affermano che, nel corso di determinate trasformazioni, alcune delle grandezze che caratterizzano un sistema fisico rimangono invariate. I principi di conservazione ebbero sempre un ruolo estremamente importante nella ricerca scientifica. Nel XVIII secolo il chimico francese Antoine Lavoisier scoprì che in una reazione chimica la massa complessiva degli elementi che partecipano alla trasformazione rimane costante. Questa osservazione, che esprime il principio di conservazione della massa, viene oggi enunciata nella seguente forma generale: la quantità di materia totale di un sistema chiuso rimane costante. Salvatore consoli
I principi di conservazione All’inizio del XIX secolo si comprese che esistono diverse forme di energia, ad esempio l’energia cinetica, potenziale, termica, ciascuna delle quali può essere trasformata in un’altra forma. Questa intuizione condusse gli scienziati tedeschi Hermann von Helmholtz e Julius Robert von Mayer e il fisico britannico James Prescott Joule a formulare il principio di conservazione dell’energia che nella sua forma più generale afferma che la somma dell’energia cinetica, dell’energia potenziale e dell’energia termica di un sistema isolato è costante. Il primo principio della termodinamica, secondo cui la quantità di calore assorbita (o ceduta) da un sistema termodinamico è uguale al lavoro che esso compie sull’esterno (o compiuto su di esso dall’esterno), è uno dei possibili enunciati di questa importante legge. Salvatore consoli
I principi di conservazione Il principi di conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare permettono di determinare l’evoluzione di qualsiasi sistema fisico che rispetti le leggi della meccanica classica. Nell’ambito dell’elettricità, invece, è valido il principio di conservazione della carica elettrica. Salvatore consoli
Trasformazioni dei gas Lo stato di un sistema termodinamico in equilibrio con l’ambiente è caratterizzato da grandezze, o variabili, di stato, che sono: PRESSIONE, VOLUME e TEMPERATURA. Esse sono collegate tra loro e il nostro scopo è quello di individuare le leggi fisiche che esistono tra di esse quando un gas passa da uno stato di equilibrio iniziale ad uno finale, cioè quando il sistema subisce una TRASFORMAZIONE. Per fare ciò, supponiamo di avere una certa quantità di gas racchiuso in un cilindro (fatto di materiale isolante) dotato di un pistone scorrevole (con attrito trascurabile) sulle pareti del recipiente. Salvatore consoli
Trasformazioni dei gas Possiamo avere 4 trasformazioni: Isobara Isocora Isotermica Adiabatica Salvatore consoli
Trasformazione isobara In questa trasformazione si mantiene fissa la pressione e vengono fatte variare la temperatura e il volume, i quali risultano essere direttamente proporzionali tra loro. Salvatore consoli
Trasformazione isocora In questa trasformazione si mantiene costante il volume del gas e vengono variate temperatura e pressione. Salvatore consoli
Trasformazione isoterma In questa trasformazione si mantiene costante la temperatura e si fanno variare pressione e volume, legati da un’ indiretta proporzionalità e quindi dall’equazione: P * V= K (costante) Questa legge prende il nome da Robert Boyle Salvatore consoli
Trasformazione adiabatica Nel considerare questa quarta trasformazione bisogna premettere che la base del cilindro viene qui ricoperta da uno strato isolante. Per questo motivo vi è una totale indipendenza termica dall’esterno, cioè il gas all’interno del cilindro non scambia calore con l’esterno, quindi Q = 0. La legge che lega la pressione al volume è: P * V= K (costante) Salvatore consoli
Confronto tra trasformazioni Il confronto con il ramo di iperbole di una trasformazione isoterma a 0C, evidenza la maggiore ripidità della curva relativa alla adiabatica Salvatore consoli
Equazione di stato dei gas Si può dimostrare che questa legge generale, EQUAZIONE DI STATO, per i gas perfetti ha la seguente forma: P * V= n * R * T dove n indica il numero di moli di gas, R la costante dei gas perfetti pari a 8,314 J/molK e p, V, T le variabili di stato dei gas (rispettivamente pressione, volume, temperatura). Un altro modo di esprimerla, mettendo in evidenza la massa del gas m (espressa in kg) invece del numero di moli, può essere: P * V = m * R * T Salvatore consoli