I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA. G. Pugliese 1

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA. G. Pugliese 1"

Eleonora Napoli
6 anni fa
Visualizzazioni

1 I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA G. Pugliese 1

Esperimento di Joule Esperimenti di Joule (1800): il sistema termodinamico è costituito da un recipiente a pareti adiabatiche riempito di acqua. 1.

L acqua si riscalda per effetto dell attrito. 2. Un conduttore di resistenza R percorso da corrente viene messo nell acqua. W 2 il lavoro speso per far circolare corrente. 3.

2 Esperimento di Joule Esperimenti di Joule (1800): il sistema termodinamico è costituito da un recipiente a pareti adiabatiche riempito di acqua. 1. mulinello viene messo in rotazione compiendo del lavoro W 1 fornito dalla variazione energia potenziale di due masse che scendono sotto l azione della forza di gravità. L acqua si riscalda per effetto dell attrito. 2. Un conduttore di resistenza R percorso da corrente viene messo nell acqua. W 2 il lavoro speso per far circolare corrente. 3. Due blocchi di metallo immersi nell acqua vengono strofinati. W 3 il lavoro speso contro le forze di attrito. Il lavoro adiabatico, qualunque esso sia, speso per portare il sistema dallo stato iniziale a quello finale, è sempre proporzionale alla variazione di temperatura. G. Pugliese 2

3 Energia interna Data l indipendenza del lavoro dal percorso, ma la dipendenza dagli stati iniziali e finali, esiste una funzione del sistema U, detta energia interna, tale che: W adiab = ΔU =U f U i U è una funzione di stato, che dipende solo dallo stato del sistema (ossia dalle coordinate termodinamiche) L energia interna si misura in Joule (noto dalla meccanica) G. Pugliese 3

4 Equivalenza tra Calore e Lavoro Ø Lo stesso aumento di temperatura si può ottenere, anche senza compiere lavoro termodinamico, avvicinando per esempio avvicinando all acqua un corpo più caldo: scambio di calore. Ø Se si può ottenere lo stesso cambiamento di stato (ossia la stessa variazione di T) sia tramite calore che lavoro meccanico possiamo postulare l equivalenza degli effetti: Q Wadia Ø Quindi Δt con scambio di calore con lavoro nullo: ΔU = Q G. Pugliese 4

Equivalenza tra Calore e Lavoro Equivalenza tra calore e lavoro: Q è il calore scambiato, senza lavoro esterno, per far cambiare di ΔT la temperatura di una massa di acqua e W il lavoro

5 Equivalenza tra Calore e Lavoro Equivalenza tra calore e lavoro: Q è il calore scambiato, senza lavoro esterno, per far cambiare di ΔT la temperatura di una massa di acqua e W il lavoro che deve essere speso, in condizioni adiabatiche, per ottenere la stessa variazione di temperatura, sono uguali. Q = W sistema W > 0 Il calore si misura in Joule W < 0 ambiente G. Pugliese 5

I principio della termodinamica Ø Se il sistema compie una trasformazione dallo stato A allo stato B, scambiando sia calore che lavoro, sperimentalmente si vede che Q e W dipendono dalla

6 I principio della termodinamica Ø Se il sistema compie una trasformazione dallo stato A allo stato B, scambiando sia calore che lavoro, sperimentalmente si vede che Q e W dipendono dalla trasformazione, mentre Q-W è indipendente dalla trasformazione: Q W = ΔU Ø L energia interna è una funzione di stato le cui variazioni danno gli scambi energetici del sistema con l ambiente. Ø Se durante una trasformazione si fornisce energia al sistema, tramite lavoro o scambio di calore, questa resta immagazzinata sotto forma di energia interna e poi riutilizzata (senza nessun limite??) G. Pugliese 6

7 Primo principio..applicazioni Trasformazione adiabatica: è una trasformazione in cui Q = 0 W = ΔU Trasformazione ciclica: è una trasformazione in cui il sistema esegue una qualunque trasformazione che lo riporti allo stato iniziale. ΔU = 0 Q = W Trasformazione infinitesime: δq δw = du G. Pugliese 7

1 a fase: processo adiabatico (non c è equilibrio meccanico) 2 nda fase: scambio calore con l ambiente (non

8 Bilancio energetico processi dissipativi Consideriamo un corpo che con velocità iniziale v si muova su un piano scabro. 1 a fase: processo adiabatico (non c è equilibrio meccanico) 2 nda fase: scambio calore con l ambiente (non c è equilibrio termico) W = ΔU W = ΔK < 0 Q = ΔU Q < 0 ceduto all'ambiente ΔU > 0 U cresce ΔU < 0 U decresce Energia cinetica viene persa ma calore viene ceduto all ambiente in uguale quantità G. Pugliese 8

9 La calorimetria Ø Si definisce capacità termica, media: Il calore necessario per far variare di 1 K la temperatura di un corpo T. C = Q ΔT (caratteristica del corpo) Ø Si definisce calore specifico, medio: il calore che occorre scambiare con l unità di massa di una sostanza, alla temperatura T, per farne variare la temperatura di 1 K. (caratteristica del materiale) Calore specifico molare In termini infinitesimi: C m 1 m Q ΔT G. Pugliese 9 c = = Q = mcδt c m = 1 n c = 1 m dq dt dq dt

10 Il calore specifico Ø dipende dalla sostanza Ø dipende dalla T, si considera costante per piccole variazioni, da T amb Ø dipende dalla trasformazione con cui viene ceduto calore G. Pugliese 10

11 Cambiamento di Fase Cambiamento di fase: ossia il passaggio di una sostanza da una fase all altra. v la temperatura non varia (Trasformazione isoterma) v la quantità di calore scambiata: Q = λδm Cambiamento di Fase Solido è liquido liquido è solido liquido è vapore Vapore è liquido Solido è vapore vapore è Solido Terminologia Fusione Solidificazione Evaporazione Condensazione Sublimazione Sublimazione G. Pugliese 11

12 Cambiamento di Fase: Q = λ F Δm Q = λ V Δm G. Pugliese 12

13 Sorgente di calore Definiamo sorgente di calore o serbatoio un sistema termodinamico con capacità termica praticamente infinita e che quindi può assorbire o cedere calore restando a temperatura costane. C = Q Δ T Ad es. una grande massa di acqua o aria. ΔT se = C Q mc opp. ΔT 0 m Q > 0 per il sistema, < 0 per la sorgente Q < 0 per il sistema > 0 per la sorgente G. Pugliese 13

Trasmissione del calore Lo scambio e il trasporto di calore entro un sistema possono avvenire attraverso uno dei seguenti meccanismi detti trasmissione di calore: 1.

14 Trasmissione del calore Lo scambio e il trasporto di calore entro un sistema possono avvenire attraverso uno dei seguenti meccanismi detti trasmissione di calore: 1. Conduzione 2. Convezione 3. Irraggiamento Operano sempre in presenza di una differenza di temperatura tra sistema ed ambiente o all interno del sistema stesso. G. Pugliese 14

Conduzione Conduzione: ha luogo quando si realizza un trasferimento di energia da un corpo all altro posti a contatto ed a diverse T o all interno di un corpo in cui ci sia un gradiente di T.

15 Conduzione Conduzione: ha luogo quando si realizza un trasferimento di energia da un corpo all altro posti a contatto ed a diverse T o all interno di un corpo in cui ci sia un gradiente di T. Legge di Fourier: il calore che passa attraverso una superficie isoterma ds nel tempo dt, in presenza di un gradiente di temperatura dt/dx (ortogonale a ds, orientato nel verso delle temperature crescenti) è: dq = k dt dx dsdt k coefficiente di conducibilità termica (funzione della temperatura) G. Pugliese 15

16 Conducibilità termica A seconda del valore di k distingueremo le sostanze in buoni o cattivi conduttori G. Pugliese 16

17 Convezione Convezione: processo per il quale il calore si trasmette da una regione ad un altra del fluido. Avviene quando il fluido è a contatto con un oggetto la cui temperatura è diversa da quella del fluido. Moto convettivo: le parti di fluido più calde (meno dense) vengono spinte verso l alto (spinta di Archimede) e sostituite da quelle più fredde. Circolazione convettiva. G. Pugliese 17

18 Irraggiamento Irraggiamento: Per avere trasferimento di calore non è necessario che ci sia materia. Un corpo a T emette energia sotto forma di onde e.m. che si propagano nello spazio, anche se vuoto. L energia del sole viene trasportata da onde e.m. Tutti gli oggetti emettono (ed in parte assorbono) radiazione elettromagnetiche dipendenti dalla loro T. Legge di Stefan Boltzman: il potere emissivo (energia emessa/unità di tempo e di superficie) Dove e emissività, dipende dalle proprietà del materiale e = 1 à superficie nera σ è costante universale J/m 2 s K 4 ε = σ et 4 G. Pugliese 18

19 Dilatazione termica di solidi e liquidi n n I corpi si dilatano con la temperatura. Esistono termometri che basano il loro funzionamento sulla differenza di dilatazione tra i vari componenti. I corpi unidimensionali (un filo, una sbarra, etc), per ΔT piccoli: Δl = lα ΔT α = 1 l dl dt Coefficiente di dilatazione lineare Dipende dalla temperatura, per intervalli limitati di T può essere considerato costante G. Pugliese 19

20 La dilatazione superficiale e di volume Consideriamo una lastra rettangolare, di un materiale isotropo (ossi che abbia il coefficiente uguale in tutte le direzioni), entrambe le dimensioni si dilateranno con la stessa legge: l ' 1 = l ( α ΔT) l ' 2 = l ( 2 1+ α ΔT) A' = l' 1 l ' 2 = l ( α ΔT)l ( α ΔT) = l 1 l 2 l 1 l ( α ΔT + α 2 ΔT 2 ) A' = A( 1 + 2α ΔT) Trascurando α 2 ΔT 2 rispetto a 2aΔT In maniera analoga si può vedere che il coefficiente di dilatazione cubica è tre volte quella lineare V' = V 1+ 3α ΔT l 3 ( ) l 1 l 2 20 G. Pugliese 20

21 Dilatazione di volume dei liquidi n n Nel caso dei liquidi non è possibile parlare di dilatazione lineare o superficiale Si parla solo di dilatazione di volume, o cubica: ΔV = βvδt n I valori del coefficiente di dilatazione di volume per i liquidi sono più grandi, circa un fattore 10, dei corrispondenti valori per i solidi (legame molecolare più debole) n abbastanza indipendenti dalla T. n β generalmente > 0 (se T aumenta e anche V aumenta) n la densità diminuisce materiale β (K -1 ) acqua Alcol etilico benzina cloroformio glicerina mercurio G. Pugliese 21

22 Dilatazione di volume dell acqua n L'acqua ha un comportamento diverso dagli altri liquidi. n Tra 0 C e 4 C ha un coefficiente di dilatazione negativo n n n n T aumenta e V diminuisce à la densità aumenta raggiungendo il valore massimo a 4 C. Per la temperatura al di sopra dei 4 C l'acqua si dilata anche se non in maniera lineare (T aumenta V aumenta la densità diminuisce). Quando i fiumi si raffreddano, l acqua più fredda, a densità maggiore scende verso il fondo, spingendo in superficie l acqua sottostante che a sua volta si raffredda. A 4 C la densità diminuisce al diminuire di T; l acqua fredda resta in superficie ed inizia a solidificare (a 0 C). L acqua sul fondo del fiume non scende mai al di sotto dei 4 C. G. Pugliese 22

Documenti analoghi

Calore e lavoro. 1 caloria = quantità di calore che bisogna cedere a 1 g di acqua per far passare la sua temperatura da 14.5 a 15.

Calore e lavoro. 1 caloria = quantità di calore che bisogna cedere a 1 g di acqua per far passare la sua temperatura da 14.5 a 15. Calore e lavoro Nel 1700 si pensava al calore come qualcosa contenuto in un corpo, il calorico, che si trasmetteva da un corpo ad un altro. Sistema A T 1 Sistema B T 2 Parete conduttrice T 1 > T 2 Definizione