Termodinamica classica

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Gilberta Alessi
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1 Termodinamica classica sistema termodinamico: insieme di corpi di cui si studiano le proprieta fisiche macroscopiche e le loro variazioni nel tempo ambiente termodinamico: insieme dei corpi con cui il sistema termodinamico in esame puo interagire universo termodinamico: insieme costituito dal sistema termodinamico e dall ambiente circostante Universo Termodinamico Ambiente Termodinamico Sistema Termodinamico la termodinamica classica studia gli scambi di energia sotto forma di lavoro meccanico e di calore tra una porzione finita di materia detta sistema termodinamico limitata da una superficie arbitraria, reale o immaginaria, e la materia che circonda il sistema termodinamico stesso detta ambiente termodinamico. Considerati assieme il sistema e l ambiente formano l universo termodinamico, inteso in senso locale 1

2 la separazione dell universo in sistema ed ambiente è del tutto arbitraria per cui è sempre possibile suddividere il sistema in sottosistemi, oppure unire più sistemi in un unico sistema o pensare l ambiente come un secondo sistema un sistema termodinamico si definisce : aperto: se sono possibili scambi di materia e di energia con l ambiente chiuso: se sono possibili scambi di energia, ma non di materia con l ambiente isolato: se non sono possibili ne scambi di materia, ne di energia con l ambiente es. di sistema aperto : es. di sistema chiuso : liquido in ebollizione in una pentola aperta liquido in ebollizione in una pentola a pressione Differenza tra grandezze fisiche interne al sistema e grandezze fisiche macroscopiche 2

3 Coordinate ( variabili ) termodinamiche la descrizione di un sistema termodinamico è fondata sul concetto di stato termodinamico: lo stato termodinamico di un sistema termodinamico è l'insieme dei valori assunti dai parametri macroscopici che lo caratterizzano si definiscono coordinate termodinamiche o variabili di stato le grandezze fisiche (x 1, x 2,, x n ) che descrivono lo stato termodinamico di un sistema termodinamico es. sostanza pura in fase gassosa filo in tensione sostanza paramagnetica volume (V), pressione (P), temperatura (T), numero moli (N) tensione (τ), lunghezza (L), temperatura (T) magnetizzazione (M), campo magnetico (H), temperatura (T) le coordinate termodinamiche sono dette: estensive intensive se sono dipendenti dalle dimensioni del sistema [ volume (V), numero di moli (N), ] se sono indipendenti dalle dimensioni del sistema [ pressione (P), temperatura (T), ] e ne descrivono proprietà globali e ne descrivono proprietà locali 3

4 Cambiamenti di stato si verifica sperimentalmente che lo scambio di energia caratterizzato dalle seguenti proprietà : tra sistema ed ambiente è sempre variano col tempo le coordinate termodinamiche si verifica un cambiamento di stato sia del sistema che dell ambiente, se ambiente e sistema non scambiano energia con l esterno, se sono isolati, dopo un certo tempo lo scambio di energia tra sistema ed ambiente cessa, e le coordinate termodinamiche del sistema e dell ambiente raggiungono valori che verranno poi mantenuti invariati nel tempo si definisce stato di equilibrio termodinamico lo stato costante nel tempo raggiunto dal sistema a seguito dello scambio di energia, sotto forma di lavoro meccanico e/o calore, del sistema con l ambiente, sempre nell ipotesi che ambiente e sistema siano isolati dall esterno 4

5 nello stato di equilibrio ogni scambio di energia si interrompe dunque per avere equilibrio termodinamico si deve avere ad ogni istante ed in ogni punto del sistema e dell ambiente: equilibrio meccanico, equilibrio chimico equilibrio termico temperatura costante in uno stato di equilibrio termodinamico esiste una precisa relazione tra le coordinate termodinamiche, detta equazione di stato es. le variabili termodinamiche per una mole di gas omogeneo e chimicamente puro termodinamico sono pressione P, volume V e temperatura T e in questo caso l equazione di stato e data da una relazione del tipo f ( P, V, T ) = 0 in equilibrio 5

6 Trasformazione termodinamica si definisce trasformazione termodinamica la variazione nel tempo delle coordinate termodinamiche determinata dallo scambio di energia, lavoro e calore, tra sistema ed ambiente Attenzione : si assumera che lo stato iniziale trasformazione termodinamica siano sempre e quello finale di una qualsiasi stati di equilibrio termodinamico viceversa, gli stati intermedi attraverso cui passa il sistema in generale non sono stati di equilibrio e, durante una generica trasformazione, non sara possibile determinare tutte le variabili termodinamiche del sistema con le sole eccezioni delle trasformazioni quasi statiche e delle trasformazioni reversibili se gli stati iniziale e finale coincidono si parlera di trasformazione ciclica 6

7 Trasformazioni quasi-statiche : una trasformazione quasi-statica è una trasformazione che avviene in modo estremamente lento nel tempo, di modo che che il sistema in esame passi dallo stato iniziale a quello finale attraverso una successione infinita di stati di equilibrio motivazioni: una successione infinitamente lenta consente di variare le variabili di stato tramite incrementi infinitesimi considerando variazioni di tempo infinitesime che mutano istantaneamente le condizioni del sistema diviene possibile applicare il calcolo infinitesimale alle equazioni termodinamiche soltanto le trasformazioni quasi-statiche diagramma pressione volume possono essere rappresentate come linee continue in un una trasformazione quasi-statica è irrealizzabile nella pratica, infinita di tempo per compiersi in quanto richiederebbe un 7

8 8 Trasformazioni reversibili : una trasformazione e detta reversibile se può essere invertita riportando il sistema termodinamico nelle condizioni iniziali, senza che ciò comporti alcun cambiamento nel sistema e nell ambiente, ( nell universo termodinamico,) in particolare durante una trasformazione reversibile non si deve avere dissipazione di energia una trasformazione reversibile deve essere quasi-statica, mentre non e vero il contrario una trasformazione reversibile non è realizzabile nella pratica, perche richiederebbe un tempo infinito per compiersi, e dovrebbe avvenire in totale assenza di attrito nonostante cio lo studio delle trasformazioni reversibili e di grande utilita teorica

9 Trasformazioni irreversibili : ogni trasformazione non reversibile è detta irreversibile una trasformazione irreversibile può avvenire in una sola direzione e, una volta raggiunto lo stato finale, non è possibile tornare allo stato iniziale senza comportare alcun cambiamento nel sistema stesso e/o nell ambiente circostante in natura tutte le trasformazioni sono irreversibili 9

10 una sostanza si dice : diatermica se consente il raggiungimento dell equilibrio termico adiabatica se impedisce il raggiungimento dell equilibrio termico un sistema adiabatico e perfettamente isolato, nel senso della trasmissione del calore e sono dette adiabatiche le trasformazioni termodinamiche che avvengono senza scambio di calore a causa della trasmissione del calore per irraggiamento perfettamente isolante attenzione: adiabatico e anche sinonimo una parete reale non potra mai essere di variazione infinitamente lenta nel tempo 10

11 Convenzione, ingegneristica, sui segni degli scambi di calore e lavoro il calore che entra in un sistema dall esterno e positivo il calore che esce da un sistema verso l esterno e negativo il lavoro compiuto dal sistema sull esterno e positivo il lavoro compiuto dall esterno sul sistema e negativo attenzione : la convenzione dei segni e relativa ai flussi di energia che riguardano il sistema per l ambiente circostante le cose sono opposte 11

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