Termodinamica 2. Il secondo principio I fondamenti storici

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Gennara Pugliese
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1 Termodinamica 2 Il secondo principio I fondamenti storici

2 Nessuna legge scientifica ha contribuito ad emancipare la mente umana più del secondo principio della Termodinamica Peter Atkins Ignorare il secondo principio della Termodinamica equivale a non avere mai letto Shakespeare C.P. Snow

3 L importanza del II Principio sta nel fatto che fornisce la base per comprendere come mai possano verificarsi i cambiamenti Spiega perchè funzionano: I motori Avvengano le reazioni chimiche Ma è anche la base per capire le conseguenze più raffinate di quelle reazioni, ossia gli atti di creatività letteraria, artistica e musicale. Nelle lezioni precedenti abbiamo introdotto due parametri: T e U. Il secondo principio implica l esistenza di un terzo parametro S = Entropia. U = quantità di E del sistema S = misura la qualità di E

4 Cimitero di Vienna

5 NB: la Scienza trae il suo potere dall astrazione. Una proprietà della natura si può scoprire con studi dettagliati di un sistema concreto, ma l ambito delle sue applicazioni si amplia enormemente se le osservazioni sono espresse in termini astratti. Il II principio, scoperto studiando le macchine a vapore, in termini astratti si applica a qualsiasi trasformazione. La macchina a vapore riassume in se la natura del cambiamento. Ogni nostra attività, dal metabolismo digestivo alla creazione artistica, si ritrova in essenza nel funzionamento delle macchine a vapore.

6 Macchine a vapore Le macchine termiche Sorgente calda fornisce energia a una caldaia vapore attraverso valvole e tubi muove pistoni e/o turbine Se la sorgente calda comunica con un serbatoio freddo (difficile da realizzare) comunemente l ambiente, questo è il modo con cui si trasforma energia termica in lavoro. Le prime macchine termiche (a vapore) furono realizzate in Inghilterra all inizio del 1800 durante il processo di industrializzazione (rivoluzione industriale).

7 La chiusura delle terre

8 Sviluppo dei trasporti

10 Newcomen s 1712 Engine Watt s 1765 Engine

11 Meccanizzazione Water frame Richard Arkwright 1768

12 Divisione del lavoro Lavoro ripetitivo Orario di ore Il sistema di fabbrica

13 Trevithick's steam locomotive as an attraction for paying customers in London's Euston Square; watercolour by Rowlandson, 1809

14 Napoleone Bonaparte Ajaccio, 15 agosto 1769 Sant'Elena, 5 maggio 1821

15 Austerlitz, 2 dicembre 1805, morti Ciò che si legge in rete: Regarded as Napoleon Bonaparte's greatest victory, Austerlitz was a sublime trap that destroyed the armies of his enemies Russia and Austria.

18 Sei re e un imperatore Il Piemonte di Amedeo Avogadro Vittorio Amedeo III, Carlo Emanuele IV, Napoleone Bonaparte Vittorio Emanuele I, Carlo Felice, Carlo Alberto, Vittorio Emanuele II,

20 Amedeo Avogadro e i moti del 1821 Amedeo Avogadro ( ),viene coinvolto nella dura repressione seguita ai tumulti del Pur non avendo partecipato direttamente ai moti è rimosso dalla sua cattedra torinese di Fisica sublime. Sarà reintegrato solo nel 1834.

21 Avogadro e i privilegi 1826: la navigazione a vapore sul Lago Maggiore

23 I moti del 1831 Faustino Malaguti ( ), farmacista, partecipa all'insurrezione a Bologna nel Nel Governo provvisorio di Bologna assume l'incarico di segretario generale della polizia. Soffocata l'insurrezione, viene arrestato e dopo quattro mesi di prigionia va esule a Parigi. Naturalizzatosi francese, nel 1842 ebbe la cattedra di chimica a Rennes. Mantenne costanti contatti con i patrioti italiani.

24 Macedonio Melloni cattedra di fisica teorico-pratica a Parma Partecipa ai moti a Parma. Esiliato due volte! 1838 A Napoli, Direttore del Conservatorio D Arti e Mestieri

25 Una premessa alla termodinamica La misura della temperatura Gabriel Fahrenheit (1724) In questa scala, il punto di congelamento dell'acqua è di 32 gradi Fahrenheit, mentre il punto di ebollizione si trova a 212 gradi, suddividendo così i due estremi in 180 gradi Anders Celsius (1742) La scala Celsius oggi utilizzata fissa il punto di congelamento dell'acqua a 0 C e il punto di ebollizione a 100 C in condizioni standard di pressione. In origine invece la scala fu ideata da Celsius perché il punto di ebollizione dell'acqua fosse a 0 C, e il punto di congelamento a 100 C; solo dopo la sua morte, nel 1744, la scala fu modificata in quella oggi di uso comune, ovvero invertita

26 William Thomson, (poi Lord Kelvin) Egli propose per primo una misura della temperatura partendo dalla considerazione termodinamica che esiste una temperatura minima assoluta, lo zero assoluto

27 Germain Hess : "Quando si ottiene un composto, il calore sviluppato è costante, sia che il composto si formi direttamente sia che si abbia indirettamente e in ripetuti passaggi"

28 Julius Robert Mayer

29 La prima ampia discussione della conservazione della forza fu pubblicata su un giornale 'chimico' per eccellenza, gli Annalen editi da Liebig e Wöler. Una prima versione dell'articolo di Mayer (era stata respinta dagli Annalen di Poggendorf (che per altro pubblicavano anche ricerche di argomento chimico); sono noti i fondamenti filosofici della trattazione del medico tedesco. Nella metafisica di Mayer la forza occupava un posto intermedio fra la materia e lo spirito Geist, mente e anima), ma tutte e tre le categorie dell'essere erano per loro natura indistruttibili, e quindi si conservavano.

30 James Joule

32 Hermann Helmholtz : conservazione dell energia

33 Sadi Carnot

35 L evoluzione delle «motrici a vapore»

36 Sadi Carnot analizza i limiti fisici delle macchine a vapore. Convinto dell esistenza del calorico pensava, come tutti che l efficienza dipendesse dal «fluido» usato (aria invece di acqua, alte P) Nonostante questi errori egli capì che l efficienza dipende dallo scambio di calore tra caldaia e serbatoio (freddo), da T. Efficienza macchina termica = Lavoro compiuto/calore assorbito =. Se T c = T caldaia e T f = T serbatoio(ambiente) = 1 se tutto il calore si trasforma in lavoro. Quindi max raggiungibile = 1 (T f /T c )

37 Esempio: Turbina per generare energia elettrica T c = 300 C (573K) caldaia T f = 20 C (293K) ambiente max = 1 (293/573) = 0.49 solo il 49% del calore diventa energia elettrica Per avere = 1 deve essere T c =, oppure T f = 0 entrambe valori impossibili in natura A causa dei pregiudizi degli ingenieri di allora Carnot non venne seguito. [destino che spesso la società, immersa in un limbo di idee, riserva al pensiero razionale] In seguito William Thomson, poi Lord Kelvin, riconosce l importanza criciale della T dell ambiente ed enunciò:

38 Secondo principio di Kelvin È impossibile realizzare processi ciclici in cui il calore fornito da una sorgente calda venga interamente convertito in lavoro. NB: le torri di raffreddamento di un reattore nucleare sono più importanti dello stesso reattore! Rudolf Clausius studiò il flusso di calore tra corpi a diverse T, il passaggio da caldo a freddo fu definito spontaneo = naturale = senza lavoro

39 In termodinamica spontaneo è diverso da rapido indica solo una tendenza. L espansione di un gas è rapida. La crescita di un diamante nella grafite è lenta L inverso NON è spontaneo Enunciato di Clausius Il calore può passare da un corpo a T più bassa a uno a T più alta soltanto se ciò è accompagnato da qualche altro cambiamento (ovvero compie lavoro)

40 I due enunciati (Kelvin e Clausius) coincidono, A è priva di serbatoio freddo, voglio sfruttare A per fare funzionare B La violazione di uno dei due enunciati implica la violazione dell altro. Sono due osservazioni fenomenologiche coincidenti del II principio.

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