Introduzione alla Termodinamica: terminologia Lezione N°2.

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1 Introduzione alla Termodinamica: terminologia Lezione N°2

2 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 TerminologiaTermodinamica La termodinamica è la scienza che studia le trasformazioni subite da un sistema (ovvero le variazioni delle proprietà fisiche) a seguito di un trasferimento di energia e/o di massa. La termodinamica è la scienza che studia le trasformazioni subite da un sistema (ovvero le variazioni delle proprietà fisiche) a seguito di un trasferimento di energia e/o di massa. La parola deriva dal greco antico thermos (calore) e dynamis (movimento). La parola deriva dal greco antico thermos (calore) e dynamis (movimento). Lo studio della termodinamica sottende quindi lo studio della grandezza energia, ἐνέργεια (energheia). Un concetto di uso quotidiano ma di cui facciamo fatica a trovare una definizione soddisfacente. Generalmente si definisce energia la capacità di un sistema a compiere lavoro, ma come vedremo nel seguito di questo corso la comprensione di questa proprietà termodinamica presuppone l’acquisizione dei principi fondamentali della termodinamica. Lo studio della termodinamica sottende quindi lo studio della grandezza energia, ἐνέργεια (energheia). Un concetto di uso quotidiano ma di cui facciamo fatica a trovare una definizione soddisfacente. Generalmente si definisce energia la capacità di un sistema a compiere lavoro, ma come vedremo nel seguito di questo corso la comprensione di questa proprietà termodinamica presuppone l’acquisizione dei principi fondamentali della termodinamica.

3 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 TerminologiaTermodinamica Galileo Galilei 1564-1642 Galileo Galilei 1564-1642 Evangelista Torricelli 1608-1647 Evangelista Torricelli 1608-1647 Robert Boyle 1627-1691 Robert Boyle 1627-1691 Thomas Savery 1650-1715 Thomas Savery 1650-1715 Thomas Newcomen 1663-1729 Thomas Newcomen 1663-1729 James Watt 1736-1819 James Watt 1736-1819 Sadi-Nicolas-Leonard Carnot1796 - 1832 Sadi-Nicolas-Leonard Carnot1796 - 1832 Benoit-Paul-Emile Clayperon 1799 – 1864 Benoit-Paul-Emile Clayperon 1799 – 1864 Julius Robert Mayer1814 - 1878 Julius Robert Mayer1814 - 1878 James Prescott Joule1818 – 1889 James Prescott Joule1818 – 1889 William Thomson Kelvin1824 - 1907 William Thomson Kelvin1824 - 1907 Rudolf Julius Clausius1822 – 1888 Rudolf Julius Clausius1822 – 1888 Ludwig Eduard Boltzmann 1844 – 1906 Ludwig Eduard Boltzmann 1844 – 1906 James Clerk Maxwell 1831 – 1879 James Clerk Maxwell 1831 – 1879 Albert Einstein 1879 – 1955 Albert Einstein 1879 – 1955

4 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia I primi studi sulla termodinamica sono alquanto recenti nella storia della scienza, infatti solo con Galileo Galilei, verso la fine del 1500 viene costruito uno dei primi termometri (il termoscopio) che consente la misura della temperatura e del flusso di calore. Evangelista Torricelli perfezionerà successivamente gli studi delle proprietà termodinamiche costruendo il barometro per misurare la pressione atmosferica. A metà del 1600 Robert Boyle grazie a questi strumenti di misura formula la legge sui gas che porta il suo nome. I primi studi sulla termodinamica sono alquanto recenti nella storia della scienza, infatti solo con Galileo Galilei, verso la fine del 1500 viene costruito uno dei primi termometri (il termoscopio) che consente la misura della temperatura e del flusso di calore. Evangelista Torricelli perfezionerà successivamente gli studi delle proprietà termodinamiche costruendo il barometro per misurare la pressione atmosferica. A metà del 1600 Robert Boyle grazie a questi strumenti di misura formula la legge sui gas che porta il suo nome. Gli ulteriori importanti passi della termodinamica non sono però il frutto di scienziati come Denis Papin ma dei primi tecnologi dilettanti come Thomas Savery che alla fine del 700 trasformò la pentola a pressione di Papin nella prima macchina a vapore, perfezionata indipendentemente e quasi contemporaneamente da Thomas Newcomen (fabbro e commerciante di utensili di ferro). Questa macchina, costruita con successo in Inghilterra per circa sessant’anni, aveva però uno scadente rendimento. Il geniale James Watt separarò le azioni di raffreddamento e di riscaldamento dell’acqua mettendo a punto il più importante brevetto dell’epoca. Gli ulteriori importanti passi della termodinamica non sono però il frutto di scienziati come Denis Papin ma dei primi tecnologi dilettanti come Thomas Savery che alla fine del 700 trasformò la pentola a pressione di Papin nella prima macchina a vapore, perfezionata indipendentemente e quasi contemporaneamente da Thomas Newcomen (fabbro e commerciante di utensili di ferro). Questa macchina, costruita con successo in Inghilterra per circa sessant’anni, aveva però uno scadente rendimento. Il geniale James Watt separarò le azioni di raffreddamento e di riscaldamento dell’acqua mettendo a punto il più importante brevetto dell’epoca. Fino alla fine del 1700 il calore veniva erroneamente inteso come una “sostanza“ in grado di diffondersi (denominata “calorico”) che permeava ed attraversava tutti i corpi, quando Benjamin Thompson pose in dubbio questa teoria. Successivamente Fourier postulò che la quantità di calore che attraversa un superficie in un certo tempo risulta funzione del gradiente di temperatura. Fino alla fine del 1700 il calore veniva erroneamente inteso come una “sostanza“ in grado di diffondersi (denominata “calorico”) che permeava ed attraversava tutti i corpi, quando Benjamin Thompson pose in dubbio questa teoria. Successivamente Fourier postulò che la quantità di calore che attraversa un superficie in un certo tempo risulta funzione del gradiente di temperatura. Nel 1824 Sadì Carnot elabora la prima formulazione del 2° Principio della Termodinamica che viene rielaborata intorno alla metà dell’800 da Clausius. Il passaggio di calore da una sorgente calda ad una fredda non comporta però una perdita di energia, come pensava Carnot, ma una degradazione. Successivamente anche Lord Kelvin rielabora il principio di Carnot affermando che risulta impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato è quello di assorbire calore da una sola sorgente e di riuscire a trasformarlo tutto in lavoro. Clausius infine concentrò la sua attenzione sulla quantificazione dell'irreversibilità dei fenomeni e propose una funzione di stato entropia che misura l’irreversibilità dei fenomeni. Nel 1824 Sadì Carnot elabora la prima formulazione del 2° Principio della Termodinamica che viene rielaborata intorno alla metà dell’800 da Clausius. Il passaggio di calore da una sorgente calda ad una fredda non comporta però una perdita di energia, come pensava Carnot, ma una degradazione. Successivamente anche Lord Kelvin rielabora il principio di Carnot affermando che risulta impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato è quello di assorbire calore da una sola sorgente e di riuscire a trasformarlo tutto in lavoro. Clausius infine concentrò la sua attenzione sulla quantificazione dell'irreversibilità dei fenomeni e propose una funzione di stato entropia che misura l’irreversibilità dei fenomeni. Nel 1847 Joule e Mayer stabiliscono l'equivalenza tra calore e lavoro ed Helmholtz formula il principio di conservazione dell'energia termomeccanica (1° Principio della Termodinamica). Successivamente Kelvin afferma che l'energia si conserva (come stabilito dal 1° principio) ma anche che si degrada (in conformità al 2° Principio) e definisce la scala assoluta di temperature. Il principio di conservazione si andrà sempre più ampliando fino a diventare uno dei pilastri della fisica moderna sebbene sia stato successivamente rivisto ed ampliato da Einstein. Nel 1847 Joule e Mayer stabiliscono l'equivalenza tra calore e lavoro ed Helmholtz formula il principio di conservazione dell'energia termomeccanica (1° Principio della Termodinamica). Successivamente Kelvin afferma che l'energia si conserva (come stabilito dal 1° principio) ma anche che si degrada (in conformità al 2° Principio) e definisce la scala assoluta di temperature. Il principio di conservazione si andrà sempre più ampliando fino a diventare uno dei pilastri della fisica moderna sebbene sia stato successivamente rivisto ed ampliato da Einstein.

5 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 TerminologiaTerminologia Sistema e ambiente Sistema e ambiente Sistema e ambiente Sistema e ambiente Vincoli di un sistema Vincoli di un sistema Vincoli di un sistema Vincoli di un sistema Massa e volume di controllo Massa e volume di controllo Massa e volume di controllo Massa e volume di controllo Proprietà termodinamiche Proprietà termodinamiche Proprietà termodinamiche Proprietà termodinamiche Macroscopico e microscopico Macroscopico e microscopico Macroscopico e microscopico Macroscopico e microscopico Coordinate termodinamiche (Proprietà intensive ed estensive) Coordinate termodinamiche (Proprietà intensive ed estensive) Energia, calore e lavoro Energia, calore e lavoro Energia, calore e lavoro Energia, calore e lavoro Temperatura e pressione Temperatura e pressione Temperatura e pressione Temperatura e pressione Stato termodinamico ed equazioni di stato Stato termodinamico ed equazioni di stato Stato termodinamico ed equazioni di stato Stato termodinamico ed equazioni di stato Sistemi semplici (sostanza pura, fasi,..) Sistemi semplici (sostanza pura, fasi,..) Sistemi semplici (sostanza pura, fasi,..) Sistemi semplici (sostanza pura, fasi,..) Trasformazioni termodinamiche Trasformazioni termodinamiche Trasformazioni termodinamiche Trasformazioni termodinamiche Equilibrio Termodinamico Equilibrio Termodinamico Equilibrio Termodinamico Equilibrio Termodinamico (stabile, instabile e metastabile) (stabile, instabile e metastabile) (stabile, instabile e metastabile) (stabile, instabile e metastabile) Processi e trasformazioni quasi statiche Processi e trasformazioni quasi statiche Processi e trasformazioni quasi statiche Processi e trasformazioni quasi statiche (Trasformazioni isoterme, isocore, isobare, …) (Trasformazioni isoterme, isocore, isobare, …) (Trasformazioni isoterme, isocore, isobare, …) (Trasformazioni isoterme, isocore, isobare, …) Termodinamica classica e del continuo Termodinamica classica e del continuo Termodinamica classica e del continuo Termodinamica classica e del continuo

6 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Il sistema è la quantità di materia o la regione di spazio oggetto di studio. Tutto ciò che è esterno al sistema costituisce l’ambiente. La superficie reale o immaginaria che separa il sistema dall’ambiente è la superficie di controllo. Sistema e ambiente AmbienteAmbiente Superficie di controllo S.C. S.C. Sistema

7 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Esempi di sistemi Thermos Thermos Individuo Individuo Aula Aula Navicella spaziale Navicella spaziale Macchina termica Macchina termica

8 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Vincoli di un sistema Isolato -Non isolato Chiuso - Aperto Pareti rigide e fisse - Pareti mobili Adiabatico - Diatermano

9 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Massa e volume di controllo Massa di controllo La superficie di controllo del sistema segue lo spostamento della massa di controllo Volume di controllo La superficie di controllo del sistema è fissa nello spazio e non segue i flussi di massa entranti ed uscenti: M.C.CaloreM.C. LavoroM.C. V.C. M.C. CaloreM.C. LavoroM.C.

10 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Macroscopico e microscopico Approccio microscopico 1 mole = 6,02·10 23 particelle elementari 1 mole = 6,02·10 23 particelle elementari Approccio macroscopico Sistema come continuo Sistema come continuo Coordinate termodinamiche come medie statistiche (proprietà termodinamiche) Coordinate termodinamiche come medie statistiche (proprietà termodinamiche)

11 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia La proprietà è qualunque grandezza caratteristica. del sistema. il valore è indipendente dall’estensione del. sistema. intensiva pressione, temperatura, conducibilità termica, … il valore è dipendente dall’estensione del. sistema. estensiva massa,, volume, energia, entropia,.. Proprietà termodinamiche Una proprietà di stato dipende solo dalle condizioni in cui il sistema si trova e non dal modo in cui esso lo ha raggiunto Una proprietà di stato dipende solo dalle altre proprietà di stato

12 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia proprietà estensiva volume specifico, energia specifica, entropia specifica, … massa proprietà specifica Proprietà specifiche

13 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Temperatura e pressione Temperatura termodinamica e empirica Pressione termodinamica e empirica Pressione Zero assoluto Pressione assoluta Pressione atmosferica Pressione relativa Pressione differenziale 0 Kelvin = -273.15 °Celsius Temperatura 273.15 Kelvin = 0 °Celsius 293.15 Kelvin = 20 °Celsius

14 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Energia interna e flussi di energia (calore e lavoro) Definizione Definizione Proprietà (conservazione) Proprietà (conservazione) Forme (qualità dell’Energia) Forme (qualità dell’Energia) Flussi (modo calore e lavoro) Flussi (modo calore e lavoro) T P=mg 1 kg Calore

15 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Stato termodinamico ed equazioni di stato Lo stato termodinamico di un sistema è definito dall’insieme dei valori delle N proprietà termodinamiche Lo stato termodinamico di un sistema è definito dall’insieme dei valori delle N proprietà termodinamiche Per definire univocamente lo stato termodinamico sono necessarie solo un numero limitato M (M<N) di proprietà indipendenti. Per definire univocamente lo stato termodinamico sono necessarie solo un numero limitato M (M<N) di proprietà indipendenti. E’ possibile dimostrare che il numero M di proprietà indipendenti è pari al numero di gradi di libertà del sistema E’ possibile dimostrare che il numero M di proprietà indipendenti è pari al numero di gradi di libertà del sistema Le restanti proprietà termodinamiche (N-M) possono essere ricavate dalle M assegnate sulla base di equazioni costitutive anche definite equazioni di stato Le restanti proprietà termodinamiche (N-M) possono essere ricavate dalle M assegnate sulla base di equazioni costitutive anche definite equazioni di stato

16 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Sistema semplice p,v,T Un sistema costituito da una sostanza pura il cui stato intensivo è definito da due proprietà interne intensive indipendenti è un sistema semplice. Un sistema costituito da una sostanza pura il cui stato intensivo è definito da due proprietà interne intensive indipendenti è un sistema semplice. Qualora queste due proprietà possono essere scelte tra la pressione, la temperatura e il volume specifico il sistema viene definito sistema semplice comprimibile o p,v,T Qualora queste due proprietà possono essere scelte tra la pressione, la temperatura e il volume specifico il sistema viene definito sistema semplice comprimibile o p,v,T

17 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Equilibrio termodinamico Un sistema si dice in equilibrio termodinamico se le sue proprietà restano costanti nel tempo. L’equilibrio può essere stabile, instabile e metastabile. Un sistema si dice in equilibrio termodinamico se le sue proprietà restano costanti nel tempo. L’equilibrio può essere stabile, instabile e metastabile. Un sistema si dice stabile se per essere modificato si deve necessariamente modificare anche il mondo esterno. Inoltre se perturbato in modo infinitesimo e finito, torna nel medesimo stato iniziale. Un sistema si dice stabile se per essere modificato si deve necessariamente modificare anche il mondo esterno. Inoltre se perturbato in modo infinitesimo e finito, torna nel medesimo stato iniziale. Uno stato instabile può cambiare in modo radicale anche a fronte di una perturbazione infinitesima. Uno stato instabile può cambiare in modo radicale anche a fronte di una perturbazione infinitesima. Lo stato di equilibrio metastabile è caratterizzato da una stabilità relativa. Ovvero può subire perturbazioni infinitesime senza modificarsi, ma se la perturbazione è finita allora muta portandosi in un'altro stato. Lo stato di equilibrio metastabile è caratterizzato da una stabilità relativa. Ovvero può subire perturbazioni infinitesime senza modificarsi, ma se la perturbazione è finita allora muta portandosi in un'altro stato.

18 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Trasformazioni termodinamiche Si definisce processo o trasformazione termodinamica una variazione dello stato termodinamico di un sistema Si definisce processo o trasformazione termodinamica una variazione dello stato termodinamico di un sistema Una trasformazione si definisce quasi statica quando essa avviene seguendo una successione di stati di equilibrio (tempo di rilassamento) Una trasformazione si definisce quasi statica quando essa avviene seguendo una successione di stati di equilibrio (tempo di rilassamento) VpIsobara isocora

19 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Caratteristiche delle proprietà di stato Condizione necessaria e sufficiente affinchè una generica proprietà sia una funzione di stato è che soddisfi la seguente condizione: Condizione necessaria e sufficiente affinchè una generica proprietà sia una funzione di stato è che soddisfi la seguente condizione: L’integrale di una funzione di stato tra due generici punti A, B non dipende dal percorso della trasformazione L’integrale di una funzione di stato tra due generici punti A, B non dipende dal percorso della trasformazione Corollario 1 – L’integrale di una funzione di stato lungo un generico percorso chiuso è nullo. Corollario 1 – L’integrale di una funzione di stato lungo un generico percorso chiuso è nullo. Corollario 2 – In un sistema bivariante (e.g. sistema p,v,T), date due generiche proprietà di stato x, y indipendenti ed una generica proprietà z=f(x,y), la forma differenziale di z: Corollario 2 – In un sistema bivariante (e.g. sistema p,v,T), date due generiche proprietà di stato x, y indipendenti ed una generica proprietà z=f(x,y), la forma differenziale di z: è sempre un differenziale esatto, ovvero: x y 1 2 a b

20 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Termodinamica classica Si occupa dei sistemi chiusi in condizioni di equilibrio termodinamico Si occupa dei sistemi chiusi in condizioni di equilibrio termodinamico Le trasformazioni sono quasi statiche e le proprietà termodinamiche intensive, non dipendono dallo spazio, ma sono uniformi nel sistema P  ) Le trasformazioni sono quasi statiche e le proprietà termodinamiche intensive, non dipendono dallo spazio, ma sono uniformi nel sistema P  ) Ad es. sistema pistone-cilindro (espansione, compressione, …) Ad es. sistema pistone-cilindro (espansione, compressione, …)

21 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 Terminologia Termodinamica del continuo Si occupa di sistemi chiusi o aperti che possono trattarsi come un continuo materiale P(x,y,z,  ). Si occupa di sistemi chiusi o aperti che possono trattarsi come un continuo materiale P(x,y,z,  ). L’ipotesi di fondo si basa sull’equilibrio locale. L’ipotesi di fondo si basa sull’equilibrio locale. Ad es. una trasformazione adiabatica in un condotto Ad es. una trasformazione adiabatica in un condotto

22 Modulo di Fisica TecnicaLezione 2 TerminologiaRiepilogo In definitiva … che cosa è la termodinamica e di cosa ci occuperemo in questo corso? In definitiva … che cosa è la termodinamica e di cosa ci occuperemo in questo corso? Quali sono le possibili applicazioni pratiche delle nozioni acquisite? Quali sono le possibili applicazioni pratiche delle nozioni acquisite?