3. Le Trasformazioni Termodinamiche

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1 3. Le Trasformazioni Termodinamiche
Lo stato termodinamico di un gas (perfetto) è determinato dalle sue variabili di stato: Pressione, Volume, Temperatura, n moli Affinché esse siano determinate è necessario che il gas sia in equilibrio termico, non ci devono essere moti turbolenti e ogni grandezza deve essere costante almeno per un determinato intervallo di tempo. Le varabili di stato soddisfano l’eq: P V = n R T Prof Biasco 2006

2 Le Trasformazioni Termodinamiche
Quando un sistema passa da uno stato termodinamico A ad uno stato termodinamico B si ha una trasformazione termodinamica Gli stati termodinamici e le trasformazioni possono essere rappresentate in un diagramma Pressione-Volume (piano di Clapeyron) Gli stati termodinamici sono rappresentati da PUNTI le trasformazioni da LINEE. A Pressione B Volume Prof Biasco 2006

3 Le Trasformazioni Termodinamiche
La trasformazione deve avvenire in modo estremamente lento (Trasf. Quasi statica) di modo che in ogni stadio intermedio le variabili termodinamiche siano sempre perfettamente determinate. In tal caso è possibile ripercorrere la trasformazione al contrario Trasformazione REVERSIBILE. La presenza di attriti, o le trasformazioni repentine, non permettono di conoscere gli stati intermedi: compaiono moti turbolenti e la trasformazione si dice IRREVERSIBILE. Le trasformazioni termodinamiche da A a B sono infinite perché infiniti sono i percorsi che collegano A e B nel piano P-V Tra tutte le trasformazioni reversibili ve ne sono alcune particolarmente importanti: Trasf. ISOTERMA, Trasf. ISOBARA, Trasf. ISOCORA, Trasf. ADIABATICA. Prof Biasco 2006

4 Osservazioni sul Diagramma P-V
Nel diagramma P-V non è rappresentata la temperatura del sistema, essa si calcola facilmente conoscendo P, V , n moli dall’equazione di stato dei gas perfetti PV = nRT A PA B C PC Pressione VA VC Volume Prof Biasco 2006

5 Osservazioni sul Diagramma P-V
Tra due stati alla stessa pressione ha temperatura maggiore quello con volume maggiore PA = PB VB > VA ===> TB > TA Tra due stati allo stesso volume ha temperatura maggiore quello con pressione maggiore VB = VC PB > PC ==> TB > TC Gli stati appartenenti alla stessa isoterma hanno tutti la stessa temperatura. A PA B C PC Pressione VA VC Prof Biasco 2006

6 Lavoro di una trasformazione termodinamica
Ob. Calcolare il lavoro fatto da un gas durante una fase di espansione (viceversa il lavoro che l’ambiente compie sul gas in fase di compressione) Consideriamo un sistema termodinamico formato dal gas perfetto contenuto in un cilindro di sezione A chiuso superiormente da un pistone mobile Hp: 1) Espansione lenta, tutte le grandezze termodinamiche sono determinate ) Non ci sono attriti e il pistone è a tenuta perfetta 3) Piccola espansione x di modo che si possa considerare P = costante Prof Biasco 2006

7 Lavoro di una trasformazione termodinamica
Il gas esercita una pressione P su tutte le pareti del recipiente determinando sul pistone una forza F = P A Considerando un’espansione elementare x del pistone il gas compie il lavoro elementare W = F x x = F x cos 0 = F x = P A x = P V Prof Biasco 2006

8 Lavoro di una trasformazione termodinamica
Il lavoro elementare compiuto dal gas è dunque uguale al prodotto della pressione (costante) per la variazione di volume W = P  V = Pressione  Volume Se il gas si espande V = Vf  Vi > 0 ==> W= P V > il gas compie lavoro sull’ambiente Se il gas viene compresso V = Vf  Vi < 0 ==> W= P V < 0 l’ambiente compie lavoro sul gas. Prof Biasco 2006

9 Trasformazione Isobara
E’ una trasformazione termodinamica che avviene a pressione costante Il lavoro della trasformazione è: WAB =  W =  P V = P  V = = P (VB  VA) E per l’equazione di stato anche WAB = n R (TB  TA) Pressione A B PA = PB VA VB WAB Oss Il lavoro della trasformazione Isobara è uguale all’area del diagramma P V Prof Biasco 2006

10 Trasformazione Isobara
Applicando il 1° principio della termodinamica W > 0 T Q > 0 Espansione Isobara U = UB  UA = Q  W W > 0 espansione, U > 0 la temperatura di B è maggiore di A Q = U + W > 0 Il sistema prende calore dall’ambiente e lo trasforma in parte in energia interna (aumenta la temperatura) e in parte in lavoro fatto sull’ambiente. Il sistema si espande e si riscalda. Pressione A B PA = PB VA VB WAB Prof Biasco 2006

11 Trasformazione Isobara
W < 0 Q < 0 T Compressione Isobara U = UB  UA = Q  W W < 0 compressione, U < 0 la temperatura di B è minore di A Q = U + W < 0 L’ambiente compie lavoro sul sistema ma questo lavoro non rimane accumulato bensì viene ceduto all’esterno insieme ad una parte dell’energia interna. Il sistema si contrae e si raffredda Pressione A B PA = PB VA VB WAB Prof Biasco 2006

12 Trasformazione Isoterma
E’ una trasformazione termodinamica che avviene a temperatura costante PV = nRTcost = Costante Il diagramma PV è un ramo di iperbole equilatera. Il lavoro della trasformazione è: Oss Anche in questo caso Il lavoro della trasformazione è uguale all’area del diagramma P V Prof Biasco 2006

13 Trasformazione Isoterma
Q > 0 W > 0 Applicando il 1° principio della termodinamica Espansione Isoterma U = UB  UA = Q  W U = 0 la temperatura non cambia, quindi non cambia l’energia interna W > 0 espansione Q = U + W = W > 0 Il sistema prende calore dall’ambiente e lo trasforma completamente in lavoro fatto sull’ambiente. Prof Biasco 2006

14 Trasformazione Isoterma
W < 0 Q < 0 Compressione Isoterma U = UB  UA = Q  W U = 0 la temperatura non cambia, quindi non cambia l’energia interna W < 0 compressione Q = U + W = W < 0 Il sistema riceve energia meccanica dall’ambiente e la cede completamente all’ambiente sotto di forma di calore Prof Biasco 2006

15 Trasformazione Isocora
E’ una trasformazione termodinamica che avviene a Volume costante A B PA VA = VB PB Il lavoro della trasformazione è sempre ZERO WAB =  P V = 0 Prof Biasco 2006

16 Trasformazione Isocora
Q < 0 T Applicando il 1° principio della termodinamica Diminuzione della Pressione U = UB  UA = Q  W W = 0 nessuna variazione di volume, U < 0 la temperatura di B è minore di A Q = U < 0 Il sistema cede calore all’ambiente e si raffredda con una conseguente diminuzione della pressione. A B PA VA = VB PB Prof Biasco 2006

17 Trasformazione Isocora
Q > 0 T Aumento della Pressione U = UB  UA = Q  W W = 0 nessuna variazione di volume, U > 0 la temperatura di B èmaggiore di quella di A Q = U > 0 Il sistema riceve calore dall’ambiente e si riscalda con un conseguente aumento della pressione. PB B PA A VA = VB Prof Biasco 2006

18 Trasformazione Adiabatica
E’ una trasformazione termodinamica che avviene senza che vi sia scambio di calore con l’esterno Ciò si ottiene isolando termicamente il gas dall’esterno: termos, contenitore polistirolo vaschetta gelato. Aumentando o diminuendo bruscamente il volume di un gas si ha una trasformazione irreversibile adiabatica: a causa della rapidità della trasformazione il calore non ha il tempo di fluire all’esterno. Motori diesel A B Prof Biasco 2006

19 Trasformazione Adiabatica
W > 0 T Applicando il 1° principio della termodinamica A B Espansione Adiabatica U = UB  UA = Q  W Q = 0 non c’è scambio di calore W > 0 espansione U =  W < 0 Il sistema compie lavoro a spese dell’energia interna, si espande e si raffredda. Prof Biasco 2006

20 Trasformazione Adiabatica
W < 0 T Compressione Adiabatica U = UB  UA = Q  W Q = 0 W < 0 compressione U =  W > 0 L’energia meccanica che il sistema riceve dall’ambiente determina un aumento della temperatura, il sistema viene compresso e si riscalda. Motore Diesel B A Prof Biasco 2006

21 Trasformazione Adiabatica
Il diagramma di un’adiabatica è una curva decrescente con pendenza maggiore (in modulo) dell’isoterma passante per uno stesso stato A. L’equazione dell’adiabatica è dovuta a Poisson A Dove  = cp/cv rapporto tra i calori specifici a pressione e a volume costante Gas monoatomici  = 5/3 Gas biatomici  = 7/5 Prof Biasco 2006

22 Trasformazione Adiabatica
Il lavoro della trasformazione è dato da:. A B Altre espressioni dell’equazione dell’adiabatica: Prof Biasco 2006

23 4. Calori specifici di un gas ideale
Uno degli effetti che si ottengono quando si fornisce calore ad un corpo è un aumento della sua temperatura. L’aumento di temperatura non è lo stesso per tutti i corpi ma dipende dalle caratteristiche della sostanza ed è espresso mediante un parametro detto Calore specifico caratteristico di ogni sostanza. Calore Specifico è la quantità di calore che occorre fornire ad 1 kg di una sostanza per aumentare di 1° C la sua temperatura. Prof Biasco 2006

24 Calori specifici di un gas ideale
Quindi fornendo la quantità di calore Q ad un corpo la sua temperatura aumenta di T secondo la relazione:. In generale il calore specifico dipende dalle caratteristiche della sostanza ma anche dalla temperatura e dalla pressione. Nel caso dei gas il calore specifico cambia considerevolmente a seconda che il calore venga trasferito a pressione costante o a volume costante. Prof Biasco 2006

25 Calore specifico a VOLUME COSTANTE
Volume = costante QV ---> T E’ una trasformazione isocora tutto il calore fornito aumenta l’energia interna QV = U. Aumenta sia la temperatura del gas sia la sua pressione. cv = calore specifico a volume costante Cv = M cv calore specifico molare (di 1 mol) a volume costante Prof Biasco 2006

26 Calore specifico a PRESSIONE COSTANTE
Pressione = costante QP T > 0 V > 0 ==> W > 0 Prof Biasco 2006

27 cP = calore specifico a pressione costante
E’ una trasformazione isobara, il calore fornito aumenta l’energia interna quindi la temperatura del gas. Determina un’espansione e quindi il sistema compie lavoro. Solo una parte del calore fornito produce un aumento di temperatura; quindi a parità di aumento di temperatura sarà necessaria una quantità di calore maggiore. cP = calore specifico a pressione costante CP = M cP calore specifico molare (di 1 mol) a pressione costante A parità di incremento di temperatura tra volume e pressione costante si ha: Prof Biasco 2006

28 Valori sperimentali dei Calori specifici di alcuni gas espressi in J/(mol. K)
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