delle temperature iniziale e finale analogia con l energia potenziale in meccanica la funzione U e detta energia interna

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Maria Mancuso
5 anni fa
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Lavoro adiabatico e calore, esperimenti di Joule si puo innalzare la temperatura dell acqua in un calorimetro anche effettuando lavoro senza scambiare calore ( lavoro adiabatico ) i risultati

1 Lavoro adiabatico e calore, esperimenti di Joule si puo innalzare la temperatura dell acqua in un calorimetro anche effettuando lavoro senza scambiare calore ( lavoro adiabatico ) i risultati sperimentali indicano che, a parita di massa d acqua, il lavoro effettuato adiabaticamente non dipende da come viene fornito il lavoro, ma e proporzionale sempre e soltanto alla variazione di temperatura dell acqua il lavoro adiabatico dipende soltanto dai valori che una funzione della temperatura assume in corrispondenza delle temperature iniziale e finale Lad = Uiniz U fin = U analogia con l energia potenziale in meccanica la funzione U e detta energia interna

2 l energia interna dipende dall agitazione molecolare energia cinetica disordinata (random ) degli atomi o molecole componenti il corpo dalla natura dei legami chimici energia potenziale di atomi o molecole, dall energia legata alle vibrazioni e rotazioni degli atomi o molecole se il sistema fornisce lavoro all ambiente si assume che il lavori sia positivo L 0 U U 0 > > ossia U < U fin iniz ad iniz fin quindi il sistema fornisce lavoro all esterno a spese della sua energia interna ma lo stesso innalzamento di temperatura dell acqua nel calorimetro si puo ottenere fornendo soltanto calore di qui il concetto di equivalenza tra calore e lavoro adiabatico

3 alore e lavoro termodinamico durante una generica trasformazione un sistema puo scambiare sia calore Q sia lavoro L, ma non si tratta piu del lavoro adiabatico L ad percio ad L si da il nome di lavoro termodinamico possiamo ipotizzare che il calore, come il lavoro, consista in uno scambio di energia tra sistema ed ambiente che valga il principio di conservazione della energia ne deriva che il calore e un trasferimento di energia dovuto ad una differenza di temperatura non meccanico tra sistema ed ambiente nel caso adiabatico L ad = U L ad + U = 0 nel caso generale L U L + U 0 posto L + U = Q U = Q L

4 Primo principio della termodinamica U = Q L un sistema puo scambiare calore Q e lavoro L in molti modi diversi per arrivare allo stesso stato finale ma, mentre Q ed L dipendono dalla trasformazione che il sistema ha effettuato, mentre la quantita Q L, non dipende dalla trasformazione in altri termini l energia interna e una funzione di stato le variazioni di energia interna forniscono gli scambi energetici durante una qualsiasi trasformazione termodinamica

5 se le variabili di stato subiscono modifiche infinitesime du = d Q d L Attenzione : piu correttamente bisognerebbe scrivere du = d Q d L oppure du = δ Q δ L in quanto le variazioni infinitesime di calore e di lavoro dipendono dalla trasformazione o detto in altri termini bisogna sempre ricordare che il calore e il lavoro infinitesimi scambiati non sono differenziali esatti viceversa la variazione infinitesima di energia interna du non dipende dalla trasformazione, dunque la variazione di energia interna e sempre un differenziale esatto attenzione: un sistema non possiede lavoro! un sistema non possiede calore! un sistema possiede energia interna e scambia lavoro e/o calore con l ambiente circostante per modificare la sua energia interna

6 Misura del calore ripartendo con acqua a temperatura T H2 O ed eseguendo esperimenti alla mulinello di Joule, si misura quanto lavoro adiabatico occorra per innalzare la temperatura dell acqua fino alla temperatura di equilibrio T eq e per il primo principio della termodinamica il lavoro adiabatico speso sara uguale, in valore assoluto, al calore scambiato

7 il calore Q scambiato per variare la temperatura del sistema, senza effettuare lavoro equivale al lavoro L ad che occorre fare sul sistema, senza scambiare calore, per ottenere la stessa variazione di temperatura di qui il concetto di equivalenza di calore e lavoro adiabatico valutando il lavoro adiabatico si puo misurare il calore scambiato gli strumenti di misura del calore sono detti calorimetri Unita di misura del calore l unita di misura del calore nel S.I. e il Joule, ma e in uso anche la Caloria ( Cal ) una caloria e la quantita di calore che occorre fornire ad una massa di un Kg di acqua distillata per innalzare di un grado centigrado la sua temperatura a partire da C la piccola caloria ( cal ) e definita in relazione ad un grammo di acqua 1 Cal = 1000 cal, ossia 1 Cal = 1 Kcal Joule ha determinato sperimentalmente l equivalenza tra calore e lavoro una Caloria = Joule

8 il calore specifico dell acqua varia con la temperatura, pochissimo si assume costante tra [ 0, 100 ] 0 C ma tra 0 e 100 gradi centigradi cambia di dato che Q HO= 2 m c T HO HO HO il calore specifico dell acqua e per definizione = 1 Cal/Kg K dalla definizione stessa di caloria ne discende che = 4186,8 Joule/KgK se un sistema termodinamico esegue una trasformazione ciclica U = 0 e, per il primo principio, si ha Q = L un sistema che assorba calore dall esterno e lo trasformi in lavoro e detta macchina termica un sistema che riceva lavoro dall ambiente esterno e diminuisca la sua temperatura, fornendo calore all esterno, e detto macchina frigorifera

9 Trasformazioni adiabatiche si definisce adiabatica una trasformazione termodinamica durante la quale non avvengano scambi di calore, ossia Q = 0 in una trasformazione adiabatica sono possibili solo scambi di lavoro L = L ab= U nel caso di trasformazioni adiabatiche infinitesime dl = du

10 Nota: dal punto di vista del primo principio della termodinamica calore e lavoro sono equivalenti quindi: se si puo trasformare tutto il lavoro in calore per simmetria si dovrebbe poter trasformare tutto il calore in lavoro il secondo principio della termodinamica fara chiarezza su questa situazione

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