II Principio della termodinamica

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1 II Principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica esprime ciò che si conserva: ogni forma di energia può trasformarsi in un altra forma di energia, ma l'energia totale rimane costante. U B = U A + Q + ( W)

2 Stato Iniziale U A Calore Q Lavoro W Stato Finale U B U B = U A + Q + ( W)

3 II principio Il primo principio non dice nulla sul verso secondo cui una trasformazione avviene. La natura fissa un verso alle trasformazioni: un gelato, fuori dal frigo, si scioglie il caffè bollente si raffredda, Mettendo a contatto due corpi, uno caldo e l altro freddo, il calore fluisce sempre dal corpo caldo al freddo. Il tempo scorre sempre in avanti

4 L'energia meccanica e il lavoro si possono trasformare completamente in energia termica; la trasformazione inversa di energia termica in lavoro può essere ottenuta soltanto mediante una macchina Calore Lavoro Calore 1 Lavoro Calore 2 Questa limitazione sembra essere una legge della natura ed è espressa in diversi modi dal secondo principio della termodinamica.

5 II principio della termodinamica (enunciato di Kelvin Planck). E' impossibile che una macchina operante in ciclo produca come solo effetto quello di sottrarre calore a un termostato e produrre una quantità equivalente di lavoro. Q Termostato Lord Kelvin Thomson William fisico inglese A 10 anni fu ammesso all università di Glasgow. Si occupò principalmente di termodinamica e di elettromagnetismo Max Planck Fisico tedesco I suoi studi sulla radiazione di corpo nero sono all origine della moderna meccanica quantistica. Macchina termica Lavoro

6 Attenzione: il secondo principio non dice che è impossibile trasformare completamente il calore in lavoro, infatti questa trasformazione avviene in ogni espansione isotermica come nel dispositivo in figura, ma che è impossibile trasformare completamente il calore in lavoro in modo continuo (ciclico) Clicca sull immagine Q > 0 W > 0

7 Il modo in cui funziona una macchina termica è indicato nello schema seguente: Termostato caldo Tc Qc Macchina termica Lavoro Qf Termostato freddo Tf W Qc 1 Quindi, il rendimento di una macchina termica non può mai essere = 1

8 II principio della termodinamica (Enunciato di Clausius) E' impossibile che una macchina frigorigena operante in un ciclo produca come solo effetto quello di trasferire in modo continuo calore da un corpo più freddo a un corpo più caldo. Termostato caldo Tc Qc Macchina frigorigena Clausius Rudolph Julius. Fisico tedesco Koslin 1822 Bonn 1888 Si occupò principalmente di termodinamica, formulò il II principio della termodinamica e introdusse il concetto di entropia. Qf Termostato freddo Tf

9 La macchina frigorigena è una macchina che toglie calore a un corpo freddo e lo cede a un corpo più caldo utilizzando energia. Termostato caldo Tc Qc Macchina frigorigena Energia Qf Termostato freddo Tf Coefficiente di effetto frigorigeno generalmente ε 5 o 6 ε Qf W T c T f T f

10 Pressione 6. Ciclo di Carnot Sadi Carnot Parigi Figlio di Lazare Carnot (teorema di trigonometria) Ingegnere interessato al miglioramento.delle macchine a vapore, ne studiò il rendimento massimo descrivendo un ciclo ideale per le macchine termiche. Sembra dunque che il fatto che una macchina abbia rendimento < 1 non sia dovuto solo a limitazioni tecniche della macchina; W la limitazione principale sembra essere dovuta proprio alla natura. 1 Qc Per capire il limite teorico del rendimento di una macchina studiamo il comportamento di una macchina ideale rappresentata dal ciclo di Carnot. A A B isotermica B C adiabatica B C D isotermica D C volume D A adiabatica

11 Pression e A D B C volume Tc = costante Espans Isotermica A B Tf -- Tc Compres Adiabatica D A Tc -- Tf Espans. Adiabatica B C Tf = costante Compres Isotermica C D Il ciclo di Carnot

12 Pression e Ciclo di Carnot - Calcolo del Lavoro A D B C volume Trasformazione A B Espansione Isotermica T A = T B U A = U B U = U B U A = 0 allora U = Q c W AB Q c = W AB con W AB > 0, Q c > 0 nel tratto A B Tutto il calore si trasforma in lavoro

13 Pression e Ciclo di Carnot - Calcolo del Lavoro A B D C volume Trasformazione B C Espansione Adiabatica Q = 0 allora U = Q c W BC U = W BC Uc U B + W BC = 0 W BC = U B Uc > 0 Osserviamo che U B Uc > 0 U B > Uc T B > Tc nel tratto B C Il gas compie lavoro a spese dell energia interna e si raffredda

14 Pression e Trasformazione C D Compressione Isotermica T C = T D U C = U D U = U D U C = 0 A allora U = Q f W CD Q f = W CD con W CD < 0, Q f < 0 ponendo Q f = Q f > 0 D B C volum avremo che W CD = Q f nel tratto C D Il lavoro che il gas riceve dall ambiente si trasforma in calore che viene ceduto all ambiente

15 Pression e Trasformazione D A A Compressione Adiabatica Q = 0 allora U = Q W DA U = W DA D B C volume U A U D + W DA = 0 W DA = U D U A < 0 Osserviamo che U D U A < 0 U A > U D T A > T D nel tratto D A Il lavoro che l ambiente compie sul gas produce aumento dell energia interna e il gas si riscalda e ritorna allo stato iniziale A

16 Pression e A Lavoro del ciclo W ciclo = W AB +W BC + W CD + W DA = D B C = Qc + U B U c Q f + U D U A = Q c Q f quindi il rendimento della macchina è: W volume Q e tenendo conto che Q Q f c T T f c ciclo c 1 Q Q f c 1 il rendimento della macchina di Carnot, Rendimento di Carnot" è : c 1 T T f c T c T c T f 1 Quindi il rendimento dipende soltanto dalle temperature dei due termostati Si dice rendimento del secondo principio di una macchina reale sp Rendimentoreale Rendimentodi Carnot

17 Un altro enunciato del II principio Il teorema di Carnot Il teorema di Carnot 1- Tutte le macchine reversibili che lavorano tra le stesse temperature hanno lo stesso rendimento 2- Nessuna macchina irreversibile può avere un rendimento superiore a quello di una macchina reversibile che lavora tra le stesse temperature. Proviamo a spiegare il 1 punto con uno schema, ragionando per assurdo. La Macchina 1 reversibile produce lavoro la Macchina 2 rendimento = 40% reversibile è usata come frigorigena rendimento 30%

18 Termostato caldo Tc Qc = 100 J Qc= 100 J W= 40 J W =30 J Macchina 1 reversibile 40% Macchina 2 reversibile 30% Qf= 60 J Energia 10 J Qf= 70 J Termostato freddo Tf il funzionamento complessivo è rappresentato nello schema seguente:

19 Termostato caldo Tc M 1 M 2 il funzionamento complessivo è rappresentato nello schema seguente: Termostato caldo Tc Termostato freddo Tf Macchine W = 10 J Qf = 10 J Termostato freddo Tf Come è possibile? è rispettato il II principio?

20 8. Un ultimo aspetto del II Principio: L Entropia Il secondo principio afferma che le trasformazioni spontanee avvengono solo in un verso. energia meccanica il caffè bollente si raffredda, calore, Mettendo a contatto due corpi, uno caldo e l altro freddo, il calore fluisce sempre dal corpo caldo al freddo. Esistono altre trasformazione irreversibili: un vetro che va in frantumi, il mescolamento di due sostanze diverse, ecc. E proprio vero che i fenomeni spontanei avvengono solo in un verso? È possibile che sia proprio così? Che cosa vuol dire?

21 Consideriamo il caffè che si raffredda: 1- Caffè caldo: l energia termica è concentrata nel volume della tazzina, Stato di maggiore ordine 2- Caffè raffreddato: l energia termica si è dispersa in tutta la stanza, Stato di maggiore disordine

22 Consideriamo due gas che si mescolano: Stato iniziale A: i due gas sono separati Stato di maggior ordine Azoto Ossigeno Stato finale B: i due gas sono mescolati Stato di maggior disordine Azoto Ossigeno Ossigeno Azoto

23 Quindi in tutti i processi irreversibili (i processi spontanei sono sempre in qualche misura irreversibili) il sistema passa da uno stato più ordinato a uno stato di maggiore disordine. Lord Kelvin ne concluse che tutti i moti finiranno per l arrestarsi e, a causa degli scambi di calore, tutte le temperature si uguaglieranno, ciò porterà alla morte termica dell universo. L Entropia (e disordine) Quando un sistema passa da uno Stato A ad uno Stato B (in modo reversibile) la variazione d entropia è data dal rapporto tra il calore scambiato e la temperatura alla quale viene scambiato. S Q T isoterma isoterma J K

24 L'entropia S è una funzione termodinamica di stato che misura la quantità di cambiamento di un sistema ed anche il suo disordine. Essendo variabile di stato il suo valore dipende solo dallo stato in cui si trova il sistema e non dal modo in cui è pervenuto. Analogamente la variazione d entropia S dipende solo dagli stati iniziale e finale del sistema. Per cui se una trasformazione non è reversibile possiamo calcolarne la variazione d entropia mediante una trasformazione reversibile equivalente, avente cioè gli stessi stati iniziale e finale. S Q T isoterma isoterma S B S A ( S rappresenta la quantità di calore che viene scambiata per grado kelvin)

25 Se il calore viene fornito al sistema Q > 0 l entropia del sistema aumenta S sistema > 0. Q > 0 SISTEMA Se il calore viene sottratto al sistema Q < 0 l entropia del sistema diminuisce S sistema < 0. SISTEMA Q < 0

26 Esempio 1 - Il passaggio di calore da un corpo caldo ad uno freddo è un processo spontaneo irreversibile in cui si verifica un aumento dell entropia dell universo e un aumento del disordine. Termostato caldo Tc Tc = 576 K Q = 1050 J Tf = 305 K Variazione d entropia termostato caldo Q Termostato freddo Tf QC 1050 SC 1,82 J / K T 576 C Variazione d entropia termostato freddo Variazione d entropia dell universo QF 1050 SF 3,44 J / K T 305 F S U S C S F 3,44 ( 1,82) 1,62 0 L entropia dell universo è aumentata.

27 Esempio 2 Anche nell esempio seguente si ha un processo spontaneo irreversibile: il gas contenuto nel vano di sinistra si espande liberamente fino ad occupare tutto il volume disponibile. Nella fig. il dispositivo è costituito da due recipienti collegati tra loro e isolati dall esterno da materiale adiabatico. Quando viene aperto il rubinetto il gas si espande liberamente in condizioni adiabatiche. Stato iniziale A p A, V A, T A Gas Vuoto Stato finale B p B = ½ p A ; V B = 2 V A, T B =T A =T Gas Vuoto Gas

28 Trasformazione A B Q = 0; W = 0 (espansione libera) U = Q W = 0 U = 0 TA = TB La trasformazione A B isoterma in figura è equivalente all espansione G as Gas A B In cui W = Q = Q = nrt lnv B /V A = nrt ln2 > 0 S Q T nrt T ln 2 nrln 2 0

29 Sistemi Viventi ed Entropia. I sistemi viventi, come sappiamo, sono in grado di organizzare materiale grezzo e produrre strutture organizzate anche molto complesse: L embrione utilizza le sostanze nutritive per svilupparsi in un individuo completo. Le piante utilizzano l energia del sole, l anidride carbonica e i nutrienti contenuti nel terreno per svilupparsi in strutture complesse. Negli esempi precedenti e in tutti i sistemi viventi si osserva un aumento dell ordine e quindi una diminuzione dell entropia. Tuttavia, se teniamo conto che gli organismi viventi per vivere e svilupparsi devono utilizzare energia, vedremo che anche in questi casi l entropia totale del Sistema + Ambiente, cioè l entropia dell universo, aumenta sempre.

30 Ludwig Boltzmann approfondì lo studio della teoria dell irreversibilità giungendo alla conclusione che essa non è una legge assoluta della fisica, ma una legge statistica; Cioè in ogni processo spontaneo

31 Entropia (e probabilità). possiamo dire che il sistema passa da uno stato meno probabile ad uno con maggiore probabilità. Chiariamo questo aspetto: consideriamo un recipiente contente del gas diviso in due vani comunicanti. La probabilità che tutto il gas si trovi nel primo vano evento A è molto bassa P(A) 1 2 n nel caso di 4 molecole P(A) ,0625 6,25% S D nel caso di 10 molecole P(A) , ,097% nel caso di 100 molecole P(A) ,

32 Esaminiamo il caso di 4 molecole contenute in una scatola suddivisa in due parti: vano sinistro S e vano destro D Clicca sull immagine

33 Tutte le possibili disposizioni (microstati) sono riportate in tabella S D Configura zione molecola A molecola B molecola C molecola D 1 S S S S 2 S S S D 2 S S D S 3 S S D D 2 S D S S 3 S D S D 3 S D D S 4 S D D D 2 D S S S 3 D S S D 3 D S D S 4 D S D D 3 D D S S 4 D D S D 4 D D D S 5 D D D D Le disposizioni possibili sono 2 4 = 16 Ma le configurazioni sono solo SSSS 1 molteplicità 2 SSSD 4 molteplicità 3 SSDD 6 molteplicità 4 SDDD 4 molteplicità 5 DDDD 1 molteplicità

34 1 - SSSS molteplicità W = 1 P = 1/16 = 6,25% S D 2 SSSD molteplicità W = 4 P = 4/16 = 25% S D S D 3 SSDD molteplicità W = 6 P = 6/16 = 37,5% 4 SDDD molteplicità W = 4 P = 4/16 = 25% S D 5 DDDD molteplicità W = 1 P = 1/16 = 6,25% S D

35 Nel caso precedente la probabilità che le 4 molecole siano tutte nel vano di sinistra è del 6,25% mentre che siano distribuite equamente è del 37,5% Cioè 1 caso a sinistra / 6 casi distribuzione uniforme Nel caso di 100 molecole il rapporto è circa 1 caso a sinistra / circa distribuzione uniforme Nel caso di una mole, 6, molecole, la probabilità della distribuzione uniforme tra i due vani è enorme Allora Osservazione Possiamo anche dire che, nelle trasformazioni spontanee, il sistema passa sempre da uno stato meno probabile ad uno di maggiore probabilità.

36 L equazione dell entropia di Boltzmann, permette di calcolare l entropia di uno stato del sistema in relazione alla sua probabilità: S = k lnw k = 1, J/K costante di Boltzmann W = Molteplicità della configurazione, numero di permutazioni della configurazione.

37 Calcoliamo l Entropia delle configurazioni delle 4 molecole 1 - SSSS molteplicità W = 1 S 1 = k ln 1 = 0 J/K S D 2 SSSD molteplicità W = 4 S 2 = k ln 4 = 1, J/K S D 3 SSDD molteplicità W = 6 S 3 = k ln 6= 2, J/K S D S D 4 SDDD molteplicità W = 4 S 4 = k ln 4 = 1, J/K 5 DDDD molteplicità W = 1 S 5 = k ln 1 = 0 J/K S D

38 Poiché le distribuzioni sono tutte equiprobabili, nel caso delle 4 molecole, considerato un intervallo di tempo di 16 secondi, possiamo dire che mediamente (in termini statistici) il sistema si troverà nello stato SSSS per 1 sec, nello stato SSSD per 4 sec, nello stato SSDD per 6 sec, Quindi le distribuzioni SSSS o DDDD non sono impossibili, sono solo meno probabili. Ma nel caso di 100 molecole il sistema si troverà nello stato tutte le molecole nel vano di sinistra, probabilità (1/2) 100 = 7, , mediamente (in senso statistico) per 1 secondo in un intervallo di tempo della durata di circa 1, secondi circa 9, miliardi di anni. Allora il II principio non dice che certi eventi sono impossibili, ma solo estremamente improbabili.

39 Un ultimo enunciato del II principio Entropia Una trasformazione irreversibile, che inizia e termina in stati di equilibrio, si svolge sempre nel verso in cui si verifica un aumento dell entropia del Sistema + Ambiente S universo = S sistema + S ambiente > 0 Se la trasformazione è reversibile S universo = 0

40 Pressione Pressione ENTROPIA DELL UNIVERSO In un CICLO Reversibile o Irreversibile (non diminuisce mai) Facciamo alcune utili considerazioni sull entropia delle trasformazioni termodinamiche reversibili e irreversibili: La variazione d entropia del SISTEMA è sempre ZERO. S sistema = S ciclo = S f S i = 0 A A B S ciclo = S A S A = 0 volume B volume S ciclo = S A S A = 0

41 Pressione Pressione In un CICLO o in una TRASFORMAZIONE REVERSIBILI La variazione d entropia dell UNIVERSO è sempre ZERO. S universo = S sistema + S ambiente = 0 A A B volume S sist = 0; S U = 0 B volume S sist > 0; S U = 0

42 Pressione Pressione In un CICLO o in una TRASFORMAZIONE IRREVERSIBILI La variazione d entropia dell UNIVERSO è sempre maggiore di ZERO. S universo = S sistema + S ambiente > 0 A A B volume S sist = 0; S U > 0 B volume S sist > 0; S U > 0

43 Oss. In un processo IRREVERSIBILE la quantità di energia perduta viene trasformata in modo da non poter essere più utilizzata ed è data dall equazione seguente: W perduto = T f S universo = Q(1 T f /T c )

44 Il 3 Principio della Termodinamica E impossibile abbassare la temperatura di un corpo fino allo zero assoluto mediante un numero finito di passi. Sperimentalmente è sempre possibile avvicinarsi sempre più allo zero assoluto, ma è impossibile raggiungerlo.

45 Bibliografia Tipler - Invito alla fisica B - Zanichelli 1998 Walker - Fisica B - Zanichelli 2004 Halliday- Resnick- Walker - Fondamenti di fisica, termologia - Zanichelli 2001 Resnick - Halliday - Fisica - Ambrosiana Milano 1970 Feynman - La fisica di Feynman Zanichelli Bologna