Termodinamica classica A.A. 2011-2012 la termodinamica classica si occupa dello studio degli scambi di energia ( lavoro meccanico e calore ) tra una porzione finita di materia detta sistema termodinamico limitata da una arbitraria superficie, reale o immaginaria, e la materia che circonda il sistema termodinamico Considerati assieme il sistema e l’ambiente formano l’ universo termodinamico, inteso in senso locale stesso detta ambiente termodinamico. Differenza tra grandezze fisiche interne al sistema e grandezze fisiche macroscopiche sistema termodinamico: insieme di corpi di cui si studiano le proprieta’ fisiche macroscopiche e le loro variazioni nel tempo Ambiente Termodinamico Sistema Termodinamico Universo Termodinamico Energia ambiente termodinamico: insieme dei corpi con cui il sistema termodinamico in esame puo’ interagire universo termodinamico: insieme costituito dal sistema termodinamico e dall’ambiente circostante la separazione dell’universo in sistema ed ambiente è arbitraria per cui è sempre possibile suddividere il sistema in sottosistemi, oppure unire o pensare l’ambiente come un secondo sistema più sistemi in un unico sistema un sistema termodinamico si definisce : aperto: se sono possibili scambi di materia e di energia con l’ambiente circostante chiuso: se sono possibili scambi di energia ma non di materia con l’ambiente circostante isolato: se non sono possibili scambi di materia, ne’ di energia con l’ambiente

A.A. 2011-2012 esempio di sistema aperto : liquido in ebollizione in una pentola aperta esempio di sistema chiuso : liquido in ebollizione in una pentola a pressione Descrizione dei sistemi termodinamici: coordinate ( variabili ) termodinamiche la descrizione di un sistema termodinamico è fondata sul concetto di stato termodinamico : lo ”stato termodinamico ” di un sistema termodinamico è l'insieme dei valori assunti dai parametri macroscopici che lo caratterizzano si definiscono ”coordinate termodinamiche” o “ variabili di stato ” le grandezze fisiche (X1 , X2 , …, Xn ) che descrivono lo stato termodinamico di un sistema termodinamico sostanza pura in fase gassosa es. volume (V), pressione (P), temperatura (T), numero moli (N) filo in tensione tensione (), lunghezza (L), temperatura (T) sostanza paramagnetica magnetizzazione (M), campo magnetico (H), temperatura (T) Caratterizzazione delle coordinate termodinamiche : estensive : sono dipendenti dalle dimensioni del sistema e ne descrivono proprietà globali [ volume (V), numero di moli (N),…] intensive : indipendenti dalle dimensioni del sistema e descrivono proprietà locali del sistema [ pressione (P), temperatura (T),…]

A.A. 2011-2012 Cambiamenti di stato si verifica sperimentalmente che lo scambio di energia tra sistema ed ambiente è sempre caratterizzato dalle seguenti proprietà generali: variano col tempo le coordinate termodinamiche sia del sistema che dell’ambiente, in altri termini si verifica un cambiamento di stato se ambiente e sistema non scambiano energia con l’esterno, se sono isolati, dopo un certo tempo lo scambio di energia tra sistema ed ambiente cessa, e le coordinate termodinamiche raggiungono valori che verranno poi mantenuti invariati nel tempo si definisce “stato di equilibrio termodinamico” lo stato costante nel tempo raggiunto dal sistema a seguito dello scambio di energia, sotto forma di lavoro meccanico e/o calore, del sistema con l’ambiente sempre nell’ ipotesi che ambiente e sistema siano isolati dall’esterno nello stato di equilibrio ogni scambio di energia si interrompe dunque per avere equilibrio termodinamico si deve avere ad ogni istante: equilibrio meccanico, equilibrio chimico ed equilibrio termico  temperatura costante in ogni punto del sistema in uno stato di equilibrio termodinamico esiste una precisa relazione tra le coordinate termodinamiche, detta “equazione di stato” es. : in un gas omogeneo e chimicamente puro le variabili termodinamiche sono pressione P, volume V e temperatura T e in questo particolare caso l’equazione di stato sara’ definita da una relazione del tipo f (P, V, T) = 0

Trasformazione termodinamica A.A. 2011-2012 Trasformazione termodinamica si definisce “trasformazione termodinamica” la variazione nel tempo dello stato (delle coordinate termodinamiche) determinata dallo scambio di energia (lavoro meccanico e/o calore) tra sistema ed ambiente si assume sempre che lo stato iniziale e quello finale di una qualsiasi trasformazione siano stati di equilibrio termodinamico in generale, viceversa, gli stati intermedi attraverso cui passa il sistema non sono stati di equilibrio e, durante la trasformazione, non e’ possibile determinare tutte le variabili termodinamiche del sistema se gli stati iniziale e finale coincidono si parle di “trasformazione ciclica ”

Trasformazioni quasi-statiche : A.A. 2011-2012 Trasformazioni quasi-statiche : una trasformazione quasi-statica è una trasformazione che avviene in modo estremamente lento , di modo che che il sistema in esame passi dallo stato iniziale a quello finale attraverso una successione infinita di stati di equilibrio una successione infinitamente lenta consente di variare le variabili di stato tramite incrementi infinitesimi inoltre considerando variazioni di tempo infinitesime che mutano istantaneamente le condizioni del sistema diviene possibile applicare il calcolo infinitesimale alle equazioni termodinamiche solo se la trasformazione e’ quasi-statica il sistema passa per stati di equilibrio che possono essere attraversati in entrambi i sensi indifferentemente rendendo possibile ripercorrere la trasformazione in senso opposto inoltre soltanto le trasformazioni quasi-statiche possono essere rappresentate come linee continue in un diagramma pressione volume una trasformazione quasi-statica è irrealizzabile nella pratica, in quanto richiederebbe un tempo infinito per compiersi

Trasformazioni reversibili : A.A. 2011-2012 Trasformazioni reversibili : una trasformazione e’ detta reversibile se può essere invertita riportando il sistema termodinamico nelle condizioni iniziali, senza che ciò comporti alcun cambiamento nel sistema e nell’ ambiente, ossia nell’ universo termodinamico, in particolare durante una trasformazione reversibile non si deve avere dissipazione di energia una trasformazione reversibile deve essere quasi-statica, mentre non e’ vero il contrario ne consegue che una trasformazione reversibile non è realizzabile nella pratica, perche’ richiederebbe un tempo infinito per compiersi, e dovrebbe avvenire in totale assenza di attrito nonostante cio’ le trasformazioni reversibili sono casi limite di grande utilita’ teorica in effetti solo se la trasformazione e’ quasi-statica il sistema passa per stati di equilibrio che possono essere attraversati in entrambi i sensi indifferentemente rendendo possibile ripercorrere la trasformazione in senso opposto ma e’ solo se non sono presenti effetti dissipativi che il lavoro effettuato dal sistema verso l’esterno puo’ essere restituito al sistema semplicemente invertendo il senso degli scambi di energia effettuati sul sistema Trasformazioni irreversibili : ogni trasformazione non reversibile è detta irreversibile una trasformazione irreversibile può avvenire in una sola direzione e, una volta raggiunto lo stato finale, non è possibile tornare allo stato iniziale senza comportare alcun cambiamento nel sistema stesso e nell‘ ambiente circostante in natura tutte le trasformazioni sono irreversibili

Convenzione, ingegneristica, sui segni degli scambi di calore e lavoro A.A. 2011-2012 una sostanza si dice : diatermica se consente il raggiungimento dell’equilibrio termico adiabatica se impedisce il raggiungimento dell’equilibrio termico un sistema adiabatico e’ perfettamente isolato, nel senso della trasmissione del calore e sono dette “adiabatiche” le trasformazioni termodinamiche che avvengono senza scambio di calore a causa della trasmissione del calore per irraggiamento una parete reale non potra’ mai essere perfettamente isolante attenzione: adiabatico e’ anche sinonimo di variazione infinitamente lenta nel tempo Convenzione, ingegneristica, sui segni degli scambi di calore e lavoro il calore che entra in un sistema dall’esterno e’ positivo il calore che esce da un sistema verso l’esterno e’ negativo il lavoro compiuto dal sistema sull’esterno e’ positivo il lavoro compiuto dall’esterno sul sistema e’ negativo attenzione : la convenzione dei segni e’ relativa ai flussi di energia che riguardano il sistema per l’ambiente circostante le cose sono opposte