Main training FISICA. Lorenzo Manganaro. Lezione 10 Termodinamica III: Macchine Termiche

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2 Main training FISICA Lorenzo Manganaro Lezione 10 Termodinamica III: Macchine Termiche

3 Lezione 10 Macchine Termiche

4 Lezione 10 Macchine Termiche 1. Trasformazioni cicliche 2. 2 principio, Macchine termiche e frigorifere 3. Entropia

5 Statistica Ciclo di Carnot 2. teoria Veterinaria Ottica e Optometria Odontoiatria Medicina Vettori Cinematica - generale - Moti in genere Moto rettilineo uniforme Moto uniformemente accelerato - Caduta libera Moto circolare uniforme Moto parabolico Pendolo - piccole oscillazioni - Moto armonico F=ma, Principi della dinamica - Forza elastica Forza di attrito Dinamica generale - Sistemi di riferimento non inerziali Gravitazione - Campo gravitazionale Keplero Teorema dell'impulso Urti e quantità di moto - cons momento angolare Corpo rigido - leve Lavoro di una forza Energia cinetica Potenziale elastico Potenziale gravitazionale Conservazione dell'energia meccanica Bilancio energetico con forze dissipative Potenza Pressione - Legge di Pascal Legge di Stevino - Esperimento di Torricelli Legge di Archimede Portata- Dinamica in generale Bernoulli Torricelli Calore, Temperatura, calorie, calore specifico Dilatazione termica Equilibrio termico Passaggi di stato Conduzione convezione irraggiamento I principio Macchine termiche - II principio - Ciclo di Carnot Entropia Gas perfetti - cinetica - Leggi di Boyle - Gay Lussac - Eq Trasformazioni (isobara isocora isoterma adiabatica e Ottica geometrica - Lenti Onde stazionarie Effetto Doppler Legge di Coulomb - Campo elettrico Energia - Potenziale elettrostatico Flusso e teorema di Gauss Elettrizzazione - Elettricità - Conduttori - Condensatori Serie e parallelo di condensatori II Legge di Ohm Serie e parallelo di resistenze Corrente - Circuiti elettrici - Leggi di Kirchhoff Effetto Joule - Potenza elettrica - Intensità lampadine Campo magnetico - Magnetismo Forza di Lorentz Biot-Savart - Laplace Teorema di Ampere Induzione elettromagnetica Equazione di Maxwell e onde - Spettro elm Fisica nucleare - Radiazione - Meccanica quantistica Altro: densità-volume-peso specifico

6 Trasformazioni cicliche I punti di partenza e arrivo coincidono è U=0 Si ricava : Senso orario: L>0 Senso antiorario: L<0

7 Trasformazioni cicliche Esercizio Una mole di gas perfetto a p A = 2 atm e V A = 10 L (stato A) subisce un espansione isoterma fino allo stato B con V B = 20 L, una compressione isobara fino allo stato C e una trasformazione isocora fino a tornare nella condizione iniziale (A). Determinare i valori di pressione, volume e temperatura un ciascuno dei 3 stati A, B e C.

8 Macchine termiche Una macchina termica è un macchina che opera tra due sorgenti a diversa temperatura e sfrutta una sostanza alla quale fa compiere una trasformazione ciclica per portare calore dalla sorgente calda a quella fredda, trasformandone una parte in lavoro

9 Macchine termiche Lavoro Caldo Q C M Q F Freddo U = 0 L = Q = Q C Q F

10 Macchine frigorifere È una macchina termica fatta funzionare al contrario con lo scopo di compiere lavoro per trasferire calore da una sorgente fredda a una più calda 2 tipi (stesso funzionamento scopo differente): Frigorifero Pompa di calore

11 Macchine frigorifere Lavoro Caldo Q C M Q F Freddo U = 0 L = Q C Q F

12 Rendimento e Coefficiente di prestazione (COP) Macchina termica: η = L Q C = Q C Q F Q C = 1 Q F Q C 1 Frigorifero: COP = Q F L = Q C L L = Q C L 1 Pompa di calore: COP = Q C L = Q F + L L = 1+ Q F L

13 Macchine termiche Esercizio In una trasformazione ciclica reversibile, una macchina termica assorbe 450 kcal da un serbatoio di calore e cede 150 kcal ad un altro serbatoio di calore a temperatura più bassa. Il rendimento del ciclo è: A. 1/3 B. 2/3 C. 3/5 D. 1/4 E. 3/4

14 Secondo principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica non pone limiti alla quantità di calore che può essere trasformata in lavoro Enunciato di Clausius: È impossibile realizzare un processo termodinamico il cui unico risultato sia il trasferimento spontaneo di calore da una sorgente fredda a una più calda Enunciato di Kelvin: È impossibile realizzare un processo termodinamico il cui unico risultato sia assorbire calore da una sorgente e trasformarlo integralmente in lavoro

15 Trasformazioni cicliche: Ciclo di Carnot (Due adiabatiche e due isoterme) η = 1 T F T C

16 Trasformazioni cicliche: Ciclo di Carnot Macchina termica: η = 1 T F T C < 1 Frigorifero: COP = T F T C T F Pompa di calore: COP = T C T C T F

17 Teorema di Carnot Non è possibile realizzare una macchina termica, operante tra due sorgenti, che abbia un rendimento maggiore di quello della macchina di Carnot operante tra le stesse sorgenti η η C Non è possibile raggiungere lo zero assoluto η η C < 1

18 Ciclo di Carnot Esercizio Il rendimento di una macchina termica ideale che opera tra le temperature di 27 gradi centigradi e 327 gradi centigradi è: A. Circa 50% B. Circa 10% C. Circa 100% D. Circa 90% E. Nessuna delle altre risposte è corretta

19 Trasformazioni cicliche: Ciclo Diesel (Due adiabatiche un isocora e un isobara) 0-1: aspirazione 1-2 : compressione adiabatica 2-3: espansione isobara (combustione) 3-4: espansione adiabatica 4-1: isocora (breve fuoriuscita) 1-0: scarico

20 Trasformazioni cicliche: Ciclo Otto (Due adiabatiche due isocore) 0-1: aspirazione 1-2 : compressione adiabatica 2-3: isocora (combustione) 3-4: espansione adiabatica 4-1: isocora (breve fuoriuscita) 1-0: scarico

21 Entropia Dal teorema di Carnot segue i Q i 0 T i =0: macchina reversibile <0: macchina irreversibile Si definisce una funzione di stato S, detta entropia, tale che: S A B = Q T reversibile A B Quantità scalare Unità di misura: J/K

22 Principio di aumento dell entropia S Universo = S Sistema + S Ambiente 0 TRASFORMAZIONE S Sistema S Ambiente S Universo Reversibile = - S Ambiente = - S Sistema 0 Irreversibile?? >0 Ciclica Reversibile Ciclica Irreversibile 0 >0 (= S Universo) >0

23 Entropia: Interpretazione È una misura del grado di disordine di un sistema fisico oggetto di studio (che nel caso limite può essere l universo) NOTA: ogni sistema, se lasciato libero di evolvere, tende in modo naturale alla sua configurazione di massima entropia

24 Entropia: Esempio Passaggio di stato S Sistema = Q T = mλ T >0 quando assorbe calore (fusione o evaporazione) <0 quando cede calore (condensazione o solidificazione) Esercizio 2 kg di ghiaccio a 0 C si fondono scambiando calore con l ambiente esterno (T amb =300 K). Calcolare la variazione di entropia dell universo. [Calore latente di fusione: 333 kj/k]

25 Entropia: Esempio Trasformazione adiabatica (rev) S = 0

26 Entropia: Esempio Sorgente di calore S Sorgente = Q T

27 Entropia Esercizio L'entropia di un sistema termodinamico ha la seguente proprietà: A. aumenta quando il sistema assorbe calore in una trasformazione reversibile B. aumenta quando il sistema compie lavoro in modo irreversibile C. rimane costante se il sistema è isolato D. Aumenta sempre E. Nessuna delle altre risposte è corretta

28 Espansione Libera Per espansione libera si intende il processo di espansione di un gas nel vuoto a temperatura costante (isoterma), senza scambio di calore con l ambiente (adiabatica). U=0 (isoterma) e Q=0 (adiabatica) L=0 (primo principio) Tale trasformazione è irreversibile: S>0