Primo principio della termodinamica

Presentazione sul tema: "Primo principio della termodinamica"— Transcript della presentazione:

1 Primo principio della termodinamica
Energia interna

2 STATO DI UN SISTEMA PV/T = k.
Per conoscere lo stato di un sistema dobbiamo tener conto di 3 grandezze: la pressione (P), il volume (V), la temperatura (T). La pressione è il rapporto tra forza F esercitata e area S sulla quale viene esercitata tale forza (F/S) e la sua unità di misura è il pascal. Le trasformazioni termodinamiche possono essere: A pressione costante (V/T = k): isobara A volume costante (P/T = k): isocora A temperatura costante (PV = k): isoterma Mettendo in relazione queste 3 espressioni siamo giunti a: PV/T = k. Nel caso di un gas perfetto l’equazione che coinvolge le 3 grandezze (P, V, T) è: P V = n R T, in cui n è il numero di moli ed R la costante universale dei gas. Se durante la trasformazione il sistema non scambia calore con l’esterno si parlerà di trasformazione adiabatica (Q = 0).

3 Piano di Clapeyron Per rappresentare le trasformazioni termodinamiche utiliazziamo il piano di Clapeyron. Nell’immagine abbiamo rispettivamente: un’isoterma, un’isobara e un’isocora.

4 Primo principio della termodinamica
In questa equazione compare U che rappresenta l’energia interna del sistema. Per energia interna del sistema si intende la somma delle energie cinetica e potenziale associate alle particelle di cui detto sistema è costituito. ΔU = Uf – Ui è la variazione dell’energia interna del sistema, Q è il calore assorbito e L è il lavoro compiuto dal sistema. Il calore è positivo quando viene assorbito dal sistema e negativo quando viene ceduto. Il lavoro è positivo quando viene compiuto dal sistema (quando comporta un’espansione del gas) e negativo quando viene compiuto sul sistema (quando viene compresso). Primo principio della termodinamica Q – L = ΔU

5 Energia interna L’energia interna è una funzione di stato in quanto la sua variazione ΔU per il passaggio del sistema dallo stato iniziale (1) allo stato finale (2) è sempre la stessa indipendentemente da come il sistema sia passato dallo stato iniziale a quello finale. Durante una trasformazione, infatti, la variazione di una funzione di stato dipende solo dallo stato iniziale e finale del sistema e non dal percorso. Per una trasformazione ciclica, la variazione di energia interna è uguale a zero in quanto lo stato iniziale coincide con quello finale. Prendendo in considerazione l’equazione Q-L = ΔU, possiamo formulare il primo principio della termodinamica detto anche principio di conservazione dell’energia: L’energia totale di un sistema e dell’ambiente esterno si conserva anche se essa può essere convertita da una forma all’altra di energia. In altre parole l’energia non può essere né creata né distrutta.

6 Caratteristiche energia interna
L’energia interna di un gas dipende solamente dalla temperatura. Possiamo infatti variare l’energia interna di un gas (e quindi la sua temperatura) riscaldando il sistema o comprimendolo. L’energia interna di un corpo non è mai 0, poiché un gas, essendo costituito da molecole in movimento, non può mai avere volume e pressione uguali a 0. Se l’energia interna è legata alla temperatura, la temperatura è a sua volta legata all’energia cinetica media delle molecole.

7 Applicazione primo principio
Prendiamo un recipiente con al suo interno un gas. Un pistone consentirà di regolare la pressione P esercitata dal gas sulle pareti. Se fornisco calore con il fornellino aumenterà la temperatura, se abbasso il pistone aumenterà la pressione e se alzo il pistone aumenterà il volume. Riscaldamento a volume costante: in questo caso il pistone viene tenuto fermo in modo che non aumenti il volume mentre viene fornito calore. Il lavoro L è uguale a 0, pertanto, considerando il primo principio (Q – L = ΔU) avremo che ΔU = Q. Mettendolo in relazione con l’equazione Q = c m ΔT, avremo: ΔU = Q = c m ΔT. In questo caso c diventerà cv, cioè calore specifico a volume costante ed m diventerà n, cioè il numero di moli, quindi: ΔU = Q = cv n ΔT. Nei gas monoatomici cv è 3/2 R, per i gas biatomici è 5/2 R.