Lavoro adiabatico e calore , esperimenti di Joule

Presentazione sul tema: "Lavoro adiabatico e calore , esperimenti di Joule"— Transcript della presentazione:

1 Lavoro adiabatico e calore , esperimenti di Joule
si puo’ innalzare la temperatura dell’acqua in un calorimetro anche effettuando lavoro senza scambiare calore ( lavoro adiabatico ) i risultati sperimentali indicano che, a parita’ di massa d’acqua, il lavoro effettuato adiabaticamente non dipende da come viene fornito il lavoro, ma risulta proporzionale sempre e soltanto alla variazione di temperatura dell’acqua  il lavoro adiabatico dipende soltanto dai valori che una funzione della temperatura assume in corrispondenza delle temperature iniziale e finale analogia con l’ energia potenziale in meccanica la funzione U e’detta “ energia interna ”

2 l’ “ energia interna ” dipende
dall’ agitazione molecolare  energia cinetica disordinata (random ) degli atomi o molecole componenti il corpo dalla natura dei legami chimici  energia potenziale di atomi o molecole, dall’energia legata alle vibrazioni e rotazioni degli atomi o molecole se il sistema fornisce lavoro all’ambiente si assume che il lavori sia positivo ossia quindi il sistema fornisce lavoro all’esterno a spese della sua energia interna ma lo stesso innalzamento di temperatura dell’acqua nel calorimetro si puo’ ottenere fornendo soltanto calore di qui il concetto di equivalenza tra calore e lavoro adiabatico

3 Calore e lavoro termodinamico
durante una generica trasformazione un sistema puo’ allo stesso tempo scambiare sia calore Q sia lavoro L, ma attenzione non si tratta piu’ di lavoro adiabatico Lad e per distinguerli ad L si da’ il nome di lavoro termodinamico mentre il lavoro adiabatico Lad non dipende dal tipo di trasformazione risulta sperimentalmente che il lavoro termodinamico L dipende dal tipo di trasformazione dato che in una generica trasformazione il sistema può scambiare anche calore oltre a lavoro possiamo ipotizzare che il calore, come il lavoro meccanico, consista in uno scambio di energia tra sistema ed ambiente che valga il principio di conservazione della energia attraverso lavoro e calore viene scambiata energia tra sistema e ambiente ed il calore viene definito come un trasferimento di energia non meccanico tra sistema ed ambiente dovuto ad una differenza di temperatura

4 L Q DU - = Primo principio della termodinamica nel caso adiabatico
Lad = -DU Lad + DU = 0 nel caso generale L  -DU L + DU  0 posto L + DU = Q DU = Q - L Primo principio della termodinamica L Q DU - = un sistema puo’ scambiare calore Q e lavoro L in molti modi diversi per arrivare allo stesso stato finale ma, mentre Q ed L singolarmente dipendono dalla specifica trasformazione che il sistema ha effettuato, la quantita’ Q - L , ossia l’energia interna, non dipende dalla trasformazione in altri termini l’ energia interna e’ una funzione di stato le variazioni di energia interna forniscono gli scambi energetici durante una qualsiasi trasformazione termodinamica

5 L Q dU d - = Misura del calore
se le variabili di stato subiscono modifiche infinitesime L Q dU d - = quindi sia il lavoro come il calore infinitesimi scambiati non sono differenziali esatti ma attenzione: anche le variazioni di lavoro dipendono dalla trasformazione viceversa la variazione infinitesima di energia interna dU non dipende dalla trasformazione, ossia la variazione di energia interna e’ sempre un differenziale esatto attenzione: un sistema non possiede lavoro ! un sistema non possiede calore ! e scambia lavoro e/o calore con un sistema possiede energia interna l’ambiente circostante per modificare la sua energia interna Misura del calore ripartendo con acqua a temperatura tH2O ed eseguendo esperimenti alla mulinello di Joule, si misura quanto lavoro adiabatico occorra per innalzare la temperatura dell’acqua fino alla temperatura di equilibrio teq e per il primo principio della termodinamica il lavoro adiabatico speso sara’ uguale, in valore assoluto, al calore scambiato

6 Unita’ di misura del calore
il calore Q scambiato per variare la temperatura del sistema, senza effettuare lavoro equivale al lavoro Lad che occorre fare sul sistema, senza scambiare calore, per ottenere la stessa variazione di temperatura di qui il concetto di equivalenza di calore e lavoro adiabatico  valutando il lavoro adiabatico si puo’ misurare il calore scambiato gli strumenti di misura del calore sono detti “calorimetri” Unita’ di misura del calore l’unita’ di misura del calore nel S.I. e’ il Joule, ma la Caloria e’ tuttora in uso una caloria e’ la quantita di calore che occorre fornire ad una massa di un Kg di acqua distillata per innalzare di un grado centigrado la sua temperatura a partire da C la “piccola caloria” e’ definita in relazione ad un grammo di acqua 1 Cal = cal Joule ha determinato sperimentalmente l’ equivalenza tra calore e lavoro una Caloria = Joule

7 ma tra 0 e 100 gradi centigradi cambia di pochissimo
il calore specifico dell’acqua varia con la temperatura,  si assume costante tra [ 0, 100 ] 0C Calore specifico dell’acqua (Cal/Kg K) = 1.0 = 4186,8 (Joule/KgK) Calore specifico dell’alluminio (Cal/Kg K) = 0.25 se un sistema termodinamico esegue una trasformazione ciclica DU = 0 e, per il primo principio, si ha Q = L un sistema che assorba calore dall’ esterno e lo trasformi in lavoro e’ detta “macchina termica” un sistema che riceva lavoro dall’ambiente esterno e diminuisca la sua temperatura, fornendo calore all’ esterno, e’ detto “macchina frigorifera” Nota: dal punto di vista del primo principio della termodinamica calore e lavoro sono equivalenti quindi: se si puo’ trasformare tutto il lavoro in calore per simmetria si dovrebbe poter trasformare tutto il calore in lavoro il secondo principio della termodinamica precisera’ questa situazione

8 Trasformazioni adiabatiche
si definisce adiabatica una trasformazione termodinamica durante la quale non avvengano scambi di calore, ossia Q = 0 in una trasformazione adiabatica sono possibili solo scambi di lavoro per cui L = - DU dL = - dU e, nel caso di trasformazioni adiabatiche infinitesime

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