Forme di energia energia accumulata energia interna, energia esterna energia in transito calore, lavoro

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1 Forme di energia energia accumulata energia interna, energia esterna energia in transito calore, lavoro alore definizione operativa, capacità termica, calori specifici Lavoro lavoro di configurazione, lavoro dissipativo Equivalenza alore - Lavoro Primo principio della termodinamica

2 Forme di energia MIENTE SISTEM Energia che entra Energia ccumulata Energia che esce Energia accumulata energia immagazzinata dal sistema Energia accumulata Energia in ingresso - Energia in uscita Forme di energia

3 Energia accumulata Energia esterna + Energia interna Energia esterna Forme di energia di solito indipendenti dalla T e descritte da parametri misurati rispetto ad un riferimento esterno al sistema. La termodinamica tratta variazioni di energia accumulata dal sistema e non valori assoluti di energia Energia cinetica E k m ( v v ) f i Energia accumulata da un corpo la cui velocità passa da v i a v f v i v f Energia potenziale E k mg ( h h ) 2 1 Energia potenziale gravitazionale accumulata da un corpo la cui quota passa da dal valore iniziale h i al valore finale h f ltre forme di energia potenziale: elastica, elettrostatica, magnetica,.. Forme di energia

4 Energia interna energia immagazzinata dalle particelle costituenti il corpo. uesta forma di energia può essere influenzata direttamente da un trasferimento di calore. L energia interna può essere accumulata come energia cinetica molecolare, energia vibrazionale delle molecole, energia di legame tra atomi. Indicatori macroscopici di variazioni di energia interna Variazioni di temperatura Un corpo caldo ha più energia accumulata di uno freddo T 1 T 2 T 2 > T 1 Variazioni di fase Il vapore a 100 ha più energia accumulata dell acqua alla stessa temperatura Variazioni di composizione H O 2 O 2 + 2H 2 O temperatura ambiente i reagenti di questa reazione hanno più energia interna dei loro prodotti alla stessa temperatura Variazioni di massa Un sistema la cui massa aumenta, accumula l energia interna associata all incremento di massa. Forme di energia Incremento di massa Vapor d acqua acqua

5 Energia totale accumulata E Energia esterna Energia interna Energia cinetica Ε k Energia potenziale Ε p U E U + E + E k p Forme di energia

6 Energia in transito erte forme di energia non possono essere immagazzinate come tali in un sistema, esse esistono solo in transito fra sistema ed ambiente MIENTE SISTEM ENERGI L Energia accumulata Energia associata a materia Energia in transito Energia non associata a trasferimento di materia Energia in transito alore Lavoro Ogni transito implica l attraversamento di un confine, nel caso di L e esso è costituito dalla superficie di contorno del sistema alore e lavoro sono le sole forme di energia che un sistema può scambiare con l ambiente senza trasferimento di materia. La radiazione è anch essa una forma di energia in transito Forme di energia

7 T 1 > T è un qualcosa che scorre. In ciascuno di questi 4 processi c è un qualcosa che scorre 1) T < T < T 1 f 2 orpo caldo a contatto con un corpo freddo Ghiaccio cqua liquida 2) T 0 T 0 Liquefazione: cubetto di ghiaccio che fonde Vapore 3) 4) Sublimazione solido liquido Vapore Evaporazione.. quel qualcosa è denominato calore pproccio qualitativo al alore

8 alore Il calore è quel tipo di energia che viene scambiata fra corpi in contatto a temperatura diversa o in transizioni di fase. Il calore trasferito ad un sistema, attraversata la superficie di contorno che separa il sistema dall ambiente, si trasforma in energia accumulata. Un sistema non accumula calore ma accumula energia interna! Non contiene calore! uantità di calore Energia trasferita da un corpo più caldo ad uno più freddo a seguito della differenza di temperatura senza che, necessariamente sia fatto del lavoro. Esistono tre modi di trasferimento del calore: onduzione onvezione Irraggiamento pproccio qualitativo al calore

9 T i Definizione operativa del calore T i T f T f T i T i T i..; T i T i T i... Se T i > T i ; T i > T f T f ; T f > T i Temp. iniziali dei due corpi (non molto diverse tra loro). T T f f T T i i T T ' f ' f T T ' i ' i T T '' f '' f T T '' i '' i K ( T T ) ( T T ) f i f i K è indipendente da T i e T i K dipende da una grandezza caratteristica dei corpi detta capacità termica, se è quella del corpo e quella di : K pproccio quantitativo al calore

10 ( T T ) ( T T ) f i ( T ) f Ti ( T T ) f i f i (se T i > T i ) In generale > 0 se la temperatura finale del sistema è maggiore di quella iniziale. + SISTEM mbiente ( ) T f T i apacità termica del sistema T f - T i variazione di temperatura del sistema nalogia : + (Sistema onto orrente) pproccio quantitativo al calore

11 Dipendenza della capacità termica dalla massa m dei corpi T T m cost T m T K K m 1 m m m m cost m Sostanza campione : cqua, UNITÀ DI LORE c c ( T f - T i ) 1 cal per T f 15.5 e T i 14.5 e per P 1 atm. m K K m c, K si determina sperimentalmente, m c m c 1 cal g pproccio quantitativo al calore ( ) T f T i c alore specifico dell acqua ( al )

12 apacità termica La capacità termica definita attraverso la relazione ( ) T f T i T T f T i di fatto è una capacità termica media relativa all intervallo di temperatura T, ed il su valore dipende, oltre che da T, anche dalla temperatura del sistema. La vera capacità termica, a qualsiasi temperatura viene definita come: lim0 T T dt (al/ ) dt non rappresenta la derivata di rispetto a T perché non è una proprietà del sistema e non è funzione di T! piccola quantità di calore scambiata dal sistema in conseguenza della variazione infinitesima di temperatura dt Un processo non è completamente definito dalla differenza di T fra lo stato iniziale e finale; per un dato dt si ha che, a seconda del processo >< 0 < < pproccio quantitativo al calore

13 Riserva di calore (T f T ) i Più grande è la capacità termica di un sistema e minore è la sua variazione di temperatura per un dato flusso di calore. Riserva di calore sistema a capacità termica infinitamente alta - + T cost La T di una riserva di calore non cambia per quanto grande possa essere il flusso di calore in uscita o in entrata. Riserva di calore, sorgente ideale di calore e termostato sono sinonimi Il concetto di Riserva di calore è un astrazione utilissima dal punto di vista teorico. Esempi di sistemi che possono ritenersi con buona approssimazione delle riserve di calore: l atmosfera, un lago, l oceano,... Riserva di calore

14 alore specifico La capacità termica è una quantità caratteristica di un dato sistema. alore specifico apacità termica per unità di quantità di materia c m c n (al/g) apacità termica per unità di massa (m massa del sistema) (al/g) apacità termica per unità di mole (n numero di moli) c calore specifico molare Il calore specifico c è una quantità caratteristica del materiale c, al pari di, dipende anche dal particolare tipo di processo che il sistema subisce. Processi in cui il sistema è soggetto a pressione esterna idrostatica costante: c P calore specifico a pressione costante Processi in cui il volume del sistema non cambia: c V calore specifico a volume costante alori specifici

15 alore specifico Elemento l r l 2 u F 2 u He H 2 I 2 c P Elemento Fe Pb Li Hg Ni N 2 O 2 g Na c P alore specifico di alcune sostanze espresso in al/g, a 25 e 1 atm Il calore specifico dell acqua, 1 al/g a 14.5 e 1 atm, è superiore a quello della maggior parte delle altre sostanze. c P (cal/g ) H 2 O T ( ) I mari e dei laghi, a causa dell alta capacità termica dell acqua, stabilizzano la temperatura dell ambiente. alori specifici

16 T i > 0 alore associato a cambiamenti di fase i f i P 1 atm T i 0 m i La T del sistema diminuisce e quella di resta uguale a zero mentre del ghiaccio fonde. Del calore scorre dal a. ( T f - T ai ) T f < T i < 0 P 1 atm T f < T i T f 0 m f < m i f Il sistema assorbe calore senza che la sua T cambi, purché in esso rimanga del ghiaccio. Il calore assorbito da è proporzionale alla quantità di ghiaccio fuso m m i - m f ; esso vale: λ m Dove λ è il calore latente di fusione del ghiaccio (g/cm 3 ). Definizione operativa di calore

17 alore latente Per produrre una transizione di fase è necessario del calore. La quantità di calore dipende dalla sostanza, dalla pressione e dal tipo di transizione di fase. Esso è detto calore latente perché non si manifesta attraverso variazioni di T T ( ) 100 Solido 0 Liquido λ f H 2 O P 1 atm λ e Vapore Miscela liquido vapore Miscela solido liquido (al) λ f alore latente di fusione uantità di calore necessaria a fondere 1 g di ghiaccio λ f 80 cal/g alore latente di λ e evaporazione uantità di calore necessaria a evaporare 1 g di acqua λ e 540 cal/g Per una massa m il calore di fusione è f m λ f e quello di evaporazione e m λ e. ambiamenti di stato

18 -+ L MIENTE SISTEM Lavoro Il lavoro, come il calore, è un altro modo di di trasmissione di energia fra sistema ed ambiente. Il lavoro è l energia trasferita dall ambiente al sistema (o viceversa) a seguito di una modifica della configurazione, o della forma del sistema, causata da forze agenti sul sistema. Si dice che un sistema esegue un lavoro positivo sull ambiente tutte le volte che l unico effetto esterno al sistema è riducibile al sollevamento di un peso In qualsiasi trasformazione termodinamica in cui viene eseguito un lavoro, questo, in ultima analisi, può essere ricondotto all azione di una qualche forza. E però conveniente esprimere il lavoro in funzione delle variabili termodinamiche del sistema. lcuni tipi di lavoro h meccanico elettrico Lavoro

19 Energia che entra MIENTE SISTEM Energia ccumulata Energia che esce ENERGI TOTLE SMIT Energia totale accumulata Energia in transito Energia esterna Energia interna Energia cinetica Ε k Energia potenziale Ε p U alore Lavoro L E L Forma generale del primo principio