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1 La termodinamica Prof Giovanni Ianne

2 Atomi e molecole La molecola è il «grano» più piccolo da cui è costituita una sostanza. A ogni atomo corrisponde un elemento semplice, non ulteriormente scomponibile chimicamente. Gli elementi semplici sono una novantina. Le molecole sono a loro volta costituite da una novantina di costituenti elementari, chiamati «atomi». La grammomolecola è la massa molecolare di un elemento espressa in grammi.

3 Le forze intermolecolari Le forze che legano gli atomi a formare le molecole sono di natura elettrica: queste stesse forze si sentono (seppure più debolmente) anche fuori delle molecole. La forza intermolecolare si annulla quando la distanza tra le molecole è maggiore di 10-7 m.

4 L energia potenziale molecolare L energia potenziale di un corpo è uguale al lavoro compiuto dalle forze di attrazione molecolare quando una forza esterna disgrega il sistema, portando tutte le molecole a grande distanza l u a dall alt a. La forza di attrazione tra molecole è all o igi e delle forze di coesione nella materia. Il lavoro compiuto dalla forza di attrazione molecolare durante la disgregazione della molecola è positivo o negativo?

5 Il moto di agitazione termica

6 Il palloncino riscaldato si dilata Cosa succede alle molecole d a ia contenute nel palloncino? Quando riscaldiamo il gas, le sue molecole vanno più veloci.

7 L interpretazione microscopica della temperatura L e e gia cinetica media K media di una molecola, dovuta al moto di traslazione, è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. costante di Boltzmann La temperatura assoluta T = 0 K è detta zero assoluto perché si tratta della minima temperatura teoricamente concepibile, visto che l e e gia cinetica non può essere negativa.

8 L energia interna Si chiama energia interna U di un sistema fisico la somma della sua energia potenziale E pot e dell e e gia cinetica complessiva K delle molecole che lo compongono.

9 Gas reale e gas perfetto Nel gas perfetto l e e gia potenziale, dovuta alle forze intermolecolari, è nulla. Quando un gas è abbastanza rarefatto e la sua temperatura è elevata, l e e gia potenziale è del tutto trascurabile rispetto all e e gia cinetica.

10 Che cos è un sistema? Un sistema è un insieme di corpi che possiamo immaginare avvolti da una superficie chiusa, ma permeabile alla materia e all e e gia. In fisica l ambiente è tutto ciò che si trova fuori dalla superficie del sistema che stiamo considerando. Per esempio, un aereo è un sistema costituito da numerosi pezzi (ali, fusoliera, motore, ecc.). L ambiente è tutto ciò che è al di fuori dell aereo.

11 Cosa studia la termodinamica? La termodinamica studia le leggi con cui i sistemi scambiano (cioè cedono e ricevono) energia con l a ie te. Gli scambi di energia avvengono sotto forma di calore e di lavoro. Quando un sistema riceve energia dall este o, la sua energia interna aumenta; quando la cede all esterno, la sua energia interna diminuisce.

12 Scambi di energia Come fa il sistema a scambiare calore e lavoro con l a ie te esterno? Per studiare gli scambi di energia, consideriamo un sistema fisico molto semplice: il gas perfetto contenuto in un cilindro chiuso da un pistone a tenuta stagna. L a ie te è tutto ciò che è al di fuori di questo sistema: il fornello fa parte dell ambiente. Con il fornello acceso, il sistema riceve energia dall esterno sotto forma di calore. Comprimendo il pistone, il sistema riceve energia sotto forma di lavoro compiuto da una forza esterna.

13 Lo stato del sistema gas perfetto Lo stato del sistema «gas perfetto» è descritto da tre grandezze: il volume V del cilindro, la temperatura T del gas e la pressione p che il gas esercita contro le pareti. Se misuriamo il valore di due di queste grandezze (per esempio p e V), l equazione di stato del gas perfetto consente di ricavare la terza (T). Ogni volta che il gas riceve o cede energia, il sistema passa da uno stato a un altro.

14 Lo stato nel diagramma pressione-volume Lo stato del sistema può essere rappresentato mediante un punto in un diagramma pressione-volume.

15 Il principio zero della termodinamica Se il corpoaèin equilibrio termico con un corpoceanche un altro corpobèin equilibrio termico con C, allora A ebsono in equilibrio termico fra loro. In generale, se due sistemi sono individualmente in equilibrio termico con un terzo sistema, essi sono in equilibrio termico tra di loro.

16 Il lavoro (del sistema) di una trasformazione isòbara o isobarica

17 Il lavoro è un area trasformazione isobara trasformazione qualsiasi

18 Il primo principio della termodinamica Nei sistemi che scambiano lavoro e calore, l energia si conserva, cioè la sua quantità totale rimane uguale. Se il calore è assorbito dal sistema Se il calore è ceduto dal sistema Se Se il lavoro è compiuto dal sistema il lavoro è compiuto sul sistema Q 0 Q 0 W 0 W 0 Ogni volta che una parte dell u ive so cede energia mediante lavoro o calore, qualche altra parte assorbe tale energia e la immagazzina.

19 Il segno del calore e del lavoro Se l e e gia interna di un sistema aumenta, la quantità di energia che entra nel sistema è maggiore di quella che esce. Se l e e gia di un sistema diminuisce, la quantità di energia che esce dal sistema è maggiore di quella che vi entra.

20 Trasformazioni isòcore o isometrica Se il volume non aumenta, il lavoro compiuto dal gas W = 0 primo principio della termodinamica In una trasformazione isocòra la variazione di energia interna del sistema è uguale alla quantità di calore scambiato.

21 Trasformazioni isòcore Nel riscaldamento a volume costante il gas assorbe una quantità Q di calore e la sua energia interna aumenta della stessa quantità. (N è il numero di particelle o di molecole che compongono il gas)

22 L espansione adiabatica (Trasformazione adiabatica) Mettiamo un gas in un thermos, che è un ottimo isolante termico, in modo che il calore non possa entrare o uscire. Se diminuiamo lentamente la pressione esterna, togliendo poco alla volta i pesi che sono sul pistone, il gas si espande. Poiché non ci sono scambi di calore con l ambiente esterno (Q = 0) risulta: primo principio della termodinamica Se W > 0 (il gas compie un lavoro espandendosi), U 0. Nell espansione adiabatica il gas compie un lavoro positivo e la sua energia interna diminuisce.

23 L espansione adiabatica Nell espa sio e adiabatica, cioè senza scambi di calore, il gas compie un lavoro positivo e la sua energia interna diminuisce: il gas si raffredda.

24 La bomboletta spray Il gas della bomboletta si espande in modo adiabatico senza avere il tempo di assorbire calore dall este o e si raffredda.

25 La compressione adiabatica La forza del gas, che preme verso l alto, è diretta in senso contrario allo spostamento del pistone. Il gas compie un lavoro negativo (W < 0) quindi ΔU è positivo: il gas si scalda.

26 La pompa della bicicletta La compressione adiabatica dell a ia contenuta nella pompa è talmente rapida che il gas non riesce a cedere calore all este o. Mentre si gonfia la ruota di una bicicletta, la pompa tende a scaldarsi come prevede il primo principio della termodinamica.

27 Trasformazione isoterma o isotermica Una trasformazione isoterma è una trasformazione che avviene a temperatura costante. U 0 Q W Al termine di una trasformazione isotermica il calore totale assorbito è uguale al lavoro totale compiuto come prevede il primo principio della termodinamica.

28 Il motore a quattro tempi (a scoppio) Il movimento dei pistoni all i te o dei cilindri del motore di u auto o ile è causato dall espansione adiabatica e dalla compressione adiabatica di una piccolissima quantità di sostanza gassosa: una miscela di aria e benzina (oppure gasolio, metano, GPL).

29 Primo tempo: aspirazione (AB) Il pistone si abbassa e aspira la miscela aria-benzina che proviene dal carburatore: il gas si espande alla pressione atmosferica. La pressione rimane costante e il volume aumenta

30 Quando la valvola di aspirazione si è chiusa, il pistone si alza e comprime la miscela: il gas subisce una compressione adiabatica; pressione e temperatura aumentano, mentre il volume diminuisce. PDF Compressor Pro Secondo tempo: compressione (BC)

31 Terzo tempo: combustione-espansione (CD DE) Scocca la scintilla che fa bruciare la miscela. Il gas si espande adiabaticamente (DE) e spinge il pistone verso il basso. Lo scoppio (CD) è una trasformazione termodinamica in cui temperatura e pressione aumentano a volume costante. L espansione adiabatica (DE) è una trasformazione termodinamica in cui il volume aumenta e la temperatura diminuisce. Il terzo tempo (combustione ed espansione) rappresenta la fase utile, che produce movimento. Negli altri tempi il pistone si muove utilizzando l e e gia cinetica acquistata nel terzo.

32 Quarto tempo: scarico (EB BA) La valvola di scarico si apre e la pressione diminuisce. Il pistone sale e spinge all esterno i gas di combustione. Prima pressione e temperatura diminuiscono a volume costante (EB), poi a pressione costante il volume diminuisce (BA).

33 Trasformazioni cicliche Una trasformazione ciclica è rappresentata nel diagramma pressione-volume da una curva chiusa. La variazione di energia interna del sistema è zero. U 0 Come previsto dal primo principio della termodinamica, al termine di una trasformazione ciclica il calore totale assorbito è uguale al lavoro totale compiuto.

34 Il lavoro in una trasformazione ciclica Il lavoro compiuto (totale) dal sistema in un ciclo di funzionamento del motore è uguale all area del grafico pressione-volume contenuta nella linea chiusa. In una trasformazione ciclica il lavoro compiuto dal sistema è uguale alla somma algebrica dei calori assorbiti (positivi) e ceduti all este o (negativi).

35 Benzina o diesel? Lo schema di funzionamento del motore Diesel è simile a quello del motore a quattro tempi, ma con l isocòra CD sostituita da una isòbara.

36 Le macchine termiche Una macchina termica è un dispositivo che realizza una serie di trasformazioni cicliche trasformando calore in lavoro. Possiamo ottenere la compressione del gas mettendolo in contatto con una sorgente fredda che ne abbassa la temperatura. Grazie a questa compressione, il pistone ritorna all i izio della sua corsa e la macchina è pronta a funzionare di nuovo. Ma, inevitabilmente, una parte dell e e gia del combustibile è trasferita alla sorgente fredda (che, nel caso dell auto, è l at osfe a).

37 Il secondo principio della termodinamica Come si sa l energia meccanica può essere completamente trasformata in calore. Quindi possiamo produrre calore a spese del lavoro. Mentre è impossibile il processo inverso. Primo enunciato di Kelvin: è impossibile realizzare una trasformazione ciclica che trasformi in lavoro tutto il calore prelevato da una sola sorgente. Secondo enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia quello di fare passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo. Il motore dell auto o ile è una macchina termica che assorbe calore nella fase di combustione della miscela aria-benzina (sorgente calda) e cede calore all a ie te (sorgente fredda) nella fase di scarico. Nel motore la trasformazione ciclica è percorsa in senso orario. Il frigorifero è una macchina termica rappresentato da una trasformazione ciclica percorsa in senso antiorario.

38 Le centrali termoelettriche Il calore fa bollire l a ua nella caldaia, che si trasforma in vapore caldo (a 500 C) e ad alta pressione. Il getto violento del vapore fa ruotare le pale di una turbina, a cui è collegato un alternatore (un dispositivo simile alla dinamo di una bicicletta) che produce energia elettrica. All us ita della turbina il vapore deve essere raffreddato in un condensatore, prima di tornare nella caldaia, dove incomincia un nuovo ciclo.

39 Il rendimento di una macchina termica Il rendimento è dato dal rapporto tra il lavoro compiuto W e il calore assorbito Q 2. W Q 2 Sappiamo che in una trasformazione ciclica: Wtotale Q totale Poiché una macchina termica funziona con due sorgenti di calore si ha: W totale Q2 Q1 Q2 Q1 Il segno meno che si trova davanti al valore assoluto vuol dire che non tutto il calore assorbito dalla sorgente calda è trasformato in lavoro. Q2 Q1 Q1 1 Q2 Q 2 Il rendimento è un grandezza fisica adimensionale. Pertanto è un numero puro.

40 Terzo enunciato del secondo principio della termodinamica: è impossibile progettare una macchina termica che abbia rendimento uguale a

41 Il rendimento massimo T 1 1 max T 2 Per avere un rendimento massimo del 100% la sorgente fredda dovrebbe essere allo zero assoluto.

42 Macchine termiche a confronto

43 Dispositivi elettrici a confronto

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