Lezione Generalità e definizioni

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1 Lezione Generalità e definizioni

2 Sistemi termodinamici Equilibrio termodinamico e Proprietà Trasformazioni calore lavoro

3 Il corso ha la finalità di dare allo studente le conoscenze di base della fisica tecnica TERMODINAMICA (θερµη-calore; δυναµις-potenza) la scienza che si occupa delle modificazioni subite da un sistema in conseguenza del trasferimento di energia (somministrazione o sottrazione) principalmente sotto forma di lavoro o di calore 3

4 SISTEMA TERMODINAMICO SISTEMA operativo : definita quantità di materia definita porzione di spazio su cui si intende operare per particolari finalità. Il SISTEMA è delimitato da superfici (pareti o confini) AMBIENTE o ESTERNO: tutto ciò che è esterno al sistema ed è in grado di interagire con esso. 4

5 Si distinguono due tipi di sistemi: Sistemi CHIUSI caratterizzati da superfici impermeabili alla materia Sistemi APERTI i cui confini sono, almeno parzialmente, permeabili alla materia 5

6 Sistemi chiusi Sono caratterizzati dalla costanza della massa. Un sistema chiuso si definisce ISOLATO se le sue superfici impediscono anche lo scambio di ogni forma di energia con l ambiente. Vengono considerati anche sistemi le cui superfici sono permeabili solo ad alcune forme di energia. (es. sistemi adiabatici) Le pareti che delimitano un sistema chiuso: possono consentire qualsiasi variazione di volume o di forma; (es. Palloncino) essere rigide - fisse o mobili. (es. Bombola, Pistone cilindro) 6

7 SISTEMI APERTI sono delimitati da superfici reali e/o superfici ideali che individuano una porzione di spazio definita VOLUME DI CONTROLLO. (es. condotto) Possono anch essi essere caratterizzati dalla costanza della massa: Sistemi aperti in regime permanente. Possono interessare più che un volume una determinata massa che si va spostando. In tal caso la massa considerata viene detta MASSA DI CONTROLLO. 7

8 Un sistema si definisce: OMOGENEO nel caso in cui sia costituito da unica fase; (es. gas) ETEROGENEO nel caso in cui sia costituito da più fasi; (es. liquido - vapore) Ad n componenti se n sono le specie chimiche di cui è composto. 8

9 DESCRIZIONE DI UN SISTEMA Impostazione macroscopica: si esamina il sistema nel suo complesso considerando la materia di cui è costituito come un mezzo continuo; ci si avvale di grandezze direttamente associate ai nostri sensi (volume, temperatura, pressione, ecc.). Si trascura ciò che avviene a livello atomico o molecolare. Impostazione microscopica: si studia il comportamento di atomi e molecole costituenti il sistema, le loro masse, velocità, ecc. con metodi statistici. Si risale dalle grandezze considerate alle proprietà dell intero sistema. Tra i due tipi di descrizione di uno stesso sistema devono esistere relazioni, per ciascun sistema, che permettano di esprimere le grandezze macroscopiche in funzione delle microscopiche 9 (es. pressione di un gas).

10 La descrizione macroscopica Riduce enormemente il numero di variabili da considerare, evita la formulazione di particolari modelli della materia. È valida, come l ipotesi di mezzo continuo, se il sistema considerato contiene un numero di atomi o di molecole elevato e tale che siano trascurabili a livello macroscopico gli effetti delle fluttuazioni presenti nel sistema a livello microscopico. Solo per pressioni molto piccole la trattazione macroscopica potrebbe cadere in difetto. 10

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12 SISTEMI CHIUSI EQUILIBRIO TERMODINAMICO Un sistema chiuso è detto in equilibrio termodinamico o più semplicemente in equilibrio, se le sue condizioni permangono indefinitamente invariate quando restano stabili le condizioni dell ambiente. L equilibrio è detto: - stabile se il sistema, in seguito ad una momentanea e piccola perturbazione dell esterno, ritorna nelle condizioni iniziali. (es. azoto + scintilla) - instabile se, invece, non vi ritorna. (es. miscela aria benzina + scintilla) 12

13 SISTEMI CHIUSI EQUILIBRIO TERMODINAMICO E per un sistema la forma più generalizzata di equilibrio e comporta in particolare : - Equilibrio meccanico - forze equilibrate:. all interno del sistema,. tra sistema ed ambiente per sistemi a pareti non rigide. - Equilibrio chimico - assenza di cambiamenti della struttura della materia (reazioni chimiche), - assenza di spostamenti di materia all interno del sistema (diffusione, passaggi in soluzione). - Equilibrio termico - assenza di differenze di temperatura:. all interno del sistema,. tra sistema ed ambiente se il sistema non ha pareti adiabatiche. 13

14 P R O P R I E T A Sistema chiuso in equilibrio termodinamico In esso saranno nulli i gradienti di temperatura, pressione, composizione, potenziale elettrico ecc., sarà caratterizzato da una serie di grandezze quali massa, temperatura, volume, pressione, viscosità, indice di conducibilità termica o elettrica ecc. e da altre grandezze che possono essere derivate dalle precedenti. Tutte queste caratteristiche si definiscono: - PROPRIETA INTERNE o TERMOSTATICHE. Le proprietà interne sono una caratteristica della materia. Non sono perciò proprietà termostatiche di un sistema chiuso in equilibrio i gradienti di queste grandezze o i flussi di energia o di massa con l esterno. Si definiscono invece: - PROPRIETA ESTERNE o MECCANICHE quelle grandezze che determinano nello spazio e nel tempo la posizione del sistema rispetto ad un particolare sistema di riferimento (quota, velocità, energia potenziale ). 14

15 Le proprietà o grandezze caratteristiche si dividono in: INTENSIVE indipendenti dalle dimensioni del sistema (temperatura, pressione, conducibilità termica o elettrica ecc.). ESTENSIVE dipendenti dalle dimensioni del sistema (massa, volume, energie, ) Le grandezze estensive vengono dette: - grandezze totali se riferite all intero sistema - grandezze specifiche se riferite all unità di massa (di peso o di volume). Le grandezze specifiche non dipendono dall estensione del sistema e non godono più della proprietà additiva. - Le grandezze totali saranno indicate con la lettera - MAIUSCOLA, - Le grandezze specifiche con la - minuscola. Ad esempio, con riferimento ad un sistema di massa m, il volume specifico sarà dato dalla relazione v = V/m 15

16 STATO Un sistema chiuso in equilibrio termodinamico può essere, in ogni istante, descritto dalla sue proprietà termostatiche (interne) ed esterne che ne definiscono lo STATO. L insieme delle proprietà termostatiche intensive ne definisce invece lo STATO TERMODINAMICO. Dalla definizione di stato di un sistema deriva che per ciascuno stato ciascuna proprietà può avere uno ed un solo valore. Poiché ad ogni stato corrisponde un unico valore di una proprietà, questa può definirsi FUNZIONE DI STATO. Analiticamente è una funzione potenziale ed i suoi differenziali sono esatti. 16

17 Condizione necessaria e sufficiente a che una generica variabile di un sistema sia una proprietà è che essa soddisfi alla condizione che in ciascuno stato abbia un unico valore e che quindi la sua variazione sia indipendente dalle modalità con cui sia passato da uno stato all altro. Esistono relazioni funzionali tra tutte le proprietà termostatiche (interne) per cui, per individuare lo stato di un sistema in equilibrio, non è necessario individuare il valore di tutte le proprietà termostatiche. 17

18 Le proprietà esterne (meccaniche) invece possono essere tra loro indipendenti. Possono pensarsi come sovrapposte al sistema. Condizione necessaria e sufficiente a che una proprietà sia termostatica è che risulti funzione di altre proprietà termostatiche.

19 Equazioni caratteristiche o di stato Stabilita la natura dei fenomeni e le grandezze caratteristiche di interesse queste non sono generalmente tutte indipendenti tra di loro. Considerando ad esempio un sistema chiuso in equilibrio costituito da un gas si è rilevato che delle tre grandezze pressione, volume e temperatura solo due possono essere variate indipendentemente. Esistono all equilibrio relazioni funzionali tra le proprietà di un sistema che consentono di considerarne una dipendente dalle altre. Tali relazioni sono dette RELAZIONI CARATTERISTICHE o DI STATO. 19

20 Da ora faremo riferimento a sistemi chiusi per i quali possano ritenersi trascurabili gli effetti gravitazionali, cinetici, superficiali, elettrici e magnetici. Tali sistemi rientrano nella categoria dei SISTEMI SEMPLICI per l individuazione del cui stato termodinamico sono necessarie e sufficienti: - due proprietà termostatiche intensive indipendenti - la composizione chimica. Per la determinazione delle grandezze totali è necessario conoscere: - la massa o un altra proprietà termostatica estensiva. 20

21 Per un sistema semplice ad un componente: - lo stato termodinamico è individuato da una coppia di proprietà intensive indipendenti ed è quindi rappresentabile su un piano cartesiano con assi coordinati relativi a dette proprietà :DIAGRAMMI DI STATO. - quindi le equazioni di stato sono relazioni funzionali tra tre proprietà termostatiche intensive e sono rappresentabili, in uno spazio cartesiano a tre dimensioni, da una superficie detta SUPERFICIE DI STATO o SUPERFICIE CARATTERISTICA, tutti e solo i punti della quale rappresentano possibili stati di esistenza in equilibrio del sistema. 21

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23 TRASFORMAZIONI Sistemi chiusi Si definisce TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA o PROCESSO TERMODINAMICO o più brevemente TRASFORMAZIONE di un sistema una qualunque modificazione che comporti la variazione di almeno una delle sue proprietà termostatiche. Se tale variazione è finita la trasformazione si dirà finita. Se invece è infinitesima la trasformazione si dirà infinitesima. Per un sistema semplice non possono considerarsi trasformazioni fenomeni come lo spostamento nello spazio o una variazione di forma che non comporti variazione di volume. Una trasformazione che riporti il sistema nel suo stato iniziale si definisce TRASFORMAZIONE CICLICA o TRASFORMAZIONE CHIUSA o anche CICLO. 23

24 CALORE, LAVORO All energia che durante una qualsiasi trasformazione attraversa le superfici del sistema si dà il nome di CALORE o di LAVORO. Si parlerà di CALORE se l energia è trasferita per differenze di temperatura esistenti tra sistema ed ambiente. Altrimenti si parlerà di LAVORO. Calore e lavoro sono energia in transito attraverso le pareti di un sistema sede di una trasformazione. Per un sistema in equilibrio non ha quindi senso parlare di calore o lavoro. Si parla invece di calore scambiato o lavoro compiuto da un sistema in una trasformazione. Calore e lavoro non sono proprietà di stato. È perciò errato parlare di variazioni di calore o di lavoro. 24

25 il Un tipo di lavoro che si incontrerà frequentemente è LAVORO (meccanico) DI VARIAZIONE DI VOLUME dovuto allo spostamento di una o più pareti di un sistema a seguito di una modificazione dell equilibrio meccanico. Esso sarà uguale al lavoro delle forze esterne che agiscono sulle pareti che si spostano. Fluido contenuto in un sistema pistone cilindro. In caso di riduzione del volume il sistema riceve energia (lavoro) dall ambiente. In caso contrario (il fluido espande) è il sistema a cedere energia all ambiente. 25

26 Altro tipo di lavoro di interesse nel campo ingegneristico è il LAVORO (meccanico) D ELICA. Può essere solo ceduto dall ambiente al sistema. Mai viceversa. Il sistema riceve energia dall ambiente per attrito tra le palette ed il fluido. Se si alterano gli equilibri elettrico o magnetico, ed in seguito a tali scompensi si ha un trasferimento di energia tra ambiente e sistema si parlerà di lavoro elettrico o lavoro magnetico. 26

27 I simboli utilizzati per calore e lavoro sono Q ed L Le loro dimensioni sono quelle di un energia e quindi si esprimeranno: nel Sistema Internazionale in joule nel Sistema Tecnico in kcal o kpm. Pur non essendo proprietà termostatiche ha senso considerare - il calore specifico q quantità di calore scambiata per unità di massa - il lavoro specifico l lavoro compiuto per unità di massa del sistema. 27

28 Per i bilanci di energia è necessario dare un segno al valore numerico di calore e lavoro, la convenzione più usata è di considerare: il calore positivo quando l energia è somministrata al sistema, il lavoro positivo se l energia è somministrata all ambiente. Il lavoro d elica è sempre negativo! I differenziali di lavoro e calore non sono differenziali esatti non essendo Q ed L funzioni di stato e quindi saranno indicati dai simboli δq, δq, δl, δl invece di dq, dq, dl, dl.

29 TRASFORMAZIONI QUASI STATICHE Per individuare una trasformazione finita non è sufficiente conoscere gli stati iniziale e finale del sistema. In una trasformazione finita è necessario conoscere anche tutti gli infiniti stati intermedi attraverso i quali il sistema passa dallo stato iniziale al finale. Considerato un sistema in equilibrio termodinamico, modificando di una quantità infinitesima una delle proprietà dell ambiente, si altera l equilibrio sistema - ambiente, ed il sistema subirà una trasformazione infinitesima alla fine della quale raggiungerà una nuova condizione di equilibrio. Una trasformazione costituita da una successione di trasformazioni infinitesime si dirà QUASI STATICA. In una trasformazione quasi statica in ogni istante, a meno di infinitesimi, il sistema si trova sempre in condizioni di equilibrio e pertanto il suo stato resta sempre individuato. Una trasformazione reversibile è sempre quasi statica mentre, una trasformazione quasi statica non è sempre reversibile. 29

30 Una trasformazione reversibile è rappresentabile graficamente su un diagramma di stato mediante una linea che congiunge i punti rappresentativi degli stati iniziale e finale. Non è rappresentabile, se non con i soli punti rappresentativi degli stati iniziale e finale, una trasformazione che non sia quasi statica. EQUAZIONE DELLA TRASFORMAZIONE è la relazione funzionale che lega, in una trasformazione quasi statica, le proprietà interne degli stati successivi attraverso cui passa il sistema. Considerate tre grandezze termostatiche intensive di un sistema semplice ad un componente, tra di esse esiste una funzione di stato f(x,y,z) = 0. 30

31 Se il sistema subisce una trasformazione quasi statica, le tre grandezze sono collegate tra di loro anche dalla equazione della trasformazione g(x,y,z) = 0. L intersezione delle due superfici è la linea caratteristica della trasformazione per il sistema considerato. Rappresentata dal sistema delle due equazioni f(x,y,z) = 0 e g(x,y,z) = 0.