Dotto Formazione a tutto tondo Rapid Training 2018 Corso di Fisica. Argomento 11 Termodinamica

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Armando Testa
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2 Dotto Formazione a tutto tondo Rapid Training 2018 Corso di Fisica Argomento 11 Termodinamica 2

3 L energia interna dei gas L energia totale di tutte le molecole del sistema: e. cinetica traslazionale e. cinetica rotazionale e. cinetica vibrazionale È una funzione di stato la cui variazione è proporzionale alla variazione di temperatura. 3

4 Esercizio 11.1 L'energia interna di un gas perfetto è: A) la temperatura del gas B) la somma delle energie cinetiche e potenziali delle diverse molecole C) inversamente proporzionale alla temperatura D) la somma delle energie cinetiche delle diverse molecole E) nessuna delle altre risposte è corretta 4

5 Il lavoro dei gas p L < 0 L > 0 p p 0 V 0 V Ԧs V V 0 Ԧs V 0 L V V L ambiente compie lavoro sul gas: Il gas compie lavoro sull ambiente N L = p int N i V i න Vp V dv V 0 i=1 5

6 Il primo principio della termodinamica Il calore che un sistema scambia con l ambiente si ripartisce in lavoro e variazione di energia interna secondo la relazione: Q = L + U Q e L dipendono dalla trasformazione, U è una funzione di stato. 6

7 Trasformazione isocora Q = L + U V = cost L = 0 Q = U = mc T = nμ c T = = n μc T = nc v T c v : calore specifico molare a volume costante U = nc v T 7

8 Trasformazione isoterma T T p A, V A, T p B, V B, T V B nrt Q = L + U T = cost U = 0 Q = L = න V A V dv = nrt ln V B V A 8

9 Esercizio 11.2 Una bollicina di gas si sposta verso l alto dal fondo di un bicchiere di bibita frizzante termicamente in equilibrio. Cosa succede al gas della bollicina quando questa si sposta verso l alto? A) la pressione aumenta ed il volume diminuisce B) la pressione diminuisce ed il volume aumenta C) la temperatura e la pressione aumentano D) la temperatura ed il volume aumentano E) il volume e la temperatura diminuiscono 9

10 Trasformazione isobara U = nc v T V BpdV L = න = p V = nr T V A Q = mc T = nμ c T = p, V A, T A p, V B, T B = n μc T = nc p T c p : calore specifico molare a pressione costante 10

11 Esercizio 11.3 Per calcolare il lavoro compiuto da un gas che si espande ad una pressione costante nota è sufficiente conoscere: A) il volume iniziale del gas B) la variazione di volume del gas C) la massa del gas D) la variazione di temperatura del gas E) la velocità di espansione del gas 11

12 Espansione libera a) Il gas è contenuto nella prima ampolla a temperatura T i. Il sistema è isolato. b) Si apre il rubinetto e parte del gas fluisce nella seconda ampolla. La temperatura finale è ancora T i. Come mai? T i Q = L + U U = 0 T f = T i T f = T i 12

13 Calore specifici molari Alcuni risultati della teoria cinetica dei gas perfetti: obbediscono alla relazione di Mayer: c p c v = R sono in generale funzione della temperatura; dipendono dal numero di atomi che compongono la molecola. 13

14 Trasformazione adiabatica Trasformazione reversibile che avviene senza scambio di calore. Q = 0 L = U = nc v T i T f pv γ = cost TV γ 1 = cost Tp 1 γ γ = cost 14

15 Esercizio 11.4 Il volume di una data massa di un gas ideale viene trasformato in modo adiabatico. Quale tra le seguenti affermazioni riguardanti questa trasformazione deve essere vera? A) NON vi è alcuno scambio di calore con l ambiente circostante B) la temperatura assoluta NON cambia C) la pressione NON cambia D) la variazione di temperatura assoluta è direttamente proporzionale alla variazione di pressione E) la variazione di volume è istantanea 15

16 Esercizio 11.5 Il lavoro necessario per comprimere una mole di gas perfetto ben isolato termicamente: A) viene fornito dallo stesso gas B) è nullo perché non c è scambio di calore con l esterno C) non è mai nullo D) non può essere espresso in Joule ma in Pascal E) non dipende dal valore del volume finale a cui si giunge 16

17 Trasformazioni cicliche Trasformazioni in cui lo stato termodinamico finale del gas coincide con quello iniziale. Conseguenza: U = 0 Il lavoro equivale all area delimitata dalla curva chiusa che rappresenta la trasformazione nel piano di Clapeyron. p L V 17

18 Macchine termiche Dispositivo che assorbe calore Q ass da una sorgente a temperatura superiore T c, compie lavoro L e cede energia Q ced alla sorgente a temperatura piu bassa T f. Rendimento: rapporto tra il lavoro svolto e l energia assorbita. η = L Q ass = Q ass Q ced Q ass = 1 Q ced Q ass < 1 18

19 Esercizio 11.6 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 19

20 Il ciclo di Carnot 1) Espansione isoterma alla temperatura T c 2) Espansione adiabatica 3) Compressione isoterma alla temperatura T f 4) Compressione adiabatica fino alla chiusura del ciclo. η = 1 T f T c < 1 20

21 Secondo Principio della termodinamica Enunciato di Kelvin È impossibile realizzare una macchina termica il cui unico risultato sia quello di assorbire calore da una sola sorgente e trasformarlo in lavoro, ovvero non esiste la macchina termica ideale. 21

22 Compiti Teoria: Editest, Manuale di Teoria, Capitolo 8 (pagg ) Esercizi: Editest, Manuale di Esercizi, n

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