Termodinamica degli stati: superficie caratteristica e piani termodinamici

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1 Lezione n.4n (Modulo di Fisica ecnica) ermodinamica degli stati: superficie caratteristica e piani termodinamici

2 Stati della materia Indice Regola delle fasi e postulato di stato Superficie caratteristica Diagramma -v Diagramma p- Diagramma p-v Coefficienti di espansione e comprimibilità Calori specifici Diagramma -s Diagramma h-s Diagramma p-h

3 Stati della materia Una sostanza pura è una sostanza la cui composizione chimica non varia. Acqua Ossigeno O 2 Aria Una sostanza pura non deve necessariamente essere composta da un unico elemento chimico.

4 Fasi La fase è l insieme delle parti omogenee del sistema aventi lo stesso stato intensivo. Una sostanza pura può trovarsi in diverse fasi. solida liquida aeriforme

5 Passaggi di fase AERIFORME Evaporazione Evaporazione Sublimazione Condensazione Condensazione Condensazione SOLIDA Fusione LIQUIDA Solidificazione

6 Regola delle fasi di Gibbs V = 3 - F F= numero di fasi presenti ( solido,liquido,aeriforme) V= varianza,, numero di proprietà che si possono variare senza che cambi F 1 Fase Bivariante SISEMA 2 Fasi Monovariante 3 Fasi Invariante

7 Si consideri un sistema pistone-cilindro contenente una sostanza pura, al quale viene somministrato calore a pressione costante (trasformazione isobara) rasformazione internamente reversibile Il sistema è inizialmente nello stato A (fase solida) B > A v B >v A p = cost. B temperatura di liquefazione B Calore A v

8 Raggiunto lo stato B la sostanza in fase solida comincia a liquefarsi. Nello stato C sono presenti la fase liquida e la fase solida. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase liquida e diminuisce quella in fase solida. La trasformazione termina quando l ultimo cristallo di ghiaccio liquefa. Il processo è isotermo p = cost. C D B Calore A v

9 Raggiunto lo stato D la sostanza in fase liquida subisce un aumento di temperatura fino al punto E. Inoltre è possibile osservare un leggero incremento del volume (ciò non è vero nell intervallo 0-4 C per l acqua) p = cost. E D B Calore A v

10 Raggiunto lo stato E la sostanza in fase liquida comincia ad evaporare. Sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina quando l ultimo goccia di acqua evapora. Il processo è isotermo E F p = cost. D B Calore A v

11 Raggiunto lo stato E la sostanza è in procinto di evaporare Nello stato F sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina quando l ultimo goccia di liquido evapora. G p = cost. E F B D Calore A v

12 Riassumendo p = cost. Vapore Liquido + vapore Solido + liquido Liquido Solido v

13 emperatura e pressione critica c 10 bar 5 bar 2 bar 1 bar Vapore saturo Liquido saturo Vapore saturo secco v c v

14 Riassumendo 10 bar 5 bar Liquido Vapore saturo 1 bar Vapore Liquido saturo Vapore saturo secco Solido Liquido e solido v

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18 solido liquido liquido-gas vapore surriscaldato p solidoliquido solido-gas v

19 p v p p v

20 Diagramma p-p

21 Diagramma p-vp area sottesa (l( rev ) elevata pendenza curva limite inferiore

22 Coefficiente di espansione isobaro β 1 v lnv = v p p Δv β vδ, assumendo costante oppure ln( v/ v ) = 0 0 β d β

23 Coefficiente di compressibilità isotermo κ 1 v lnv = v p p Δv κ vδp, assumendo κ costante oppure ln( v/ v ) = 0 p p 0 κ dp

24 abella di β e κ Sostanza β / 10 4 Κ 1 κ / 10-6 bar Benzene Diamante Piombo Acqua

25 Calori specifici c p e c v c c p v h s δ q = = = d p v P gas ideali: V p v p V ( ) u s δ q = = = d c c = 2 β V κ rev ( ) c c = R rev v p

26 abella calori specifici medi Sostanza c p [kj /kg K] c v [kj /kg K] Aria (0-100 C) Acqua (liquida) Sughero --- 2,1 Oro (solido) --- 0,13

27 Diagramma h-sh punto critico isotermobarica andamento lineare isobare (nella zona vapore) andamento asintotico orizzontale isoterme (gas)

28 Diagramma di Mollier (acqua)

29 Diagramma -s area sottesa (q( rev ) pendenza isocore e isobare

30 Diagramma -s (acqua)

31 Diagramma p-hp

32 Diagramma p-h p h R-134R

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