TERMODINAMICA. Studia le trasformazioni dei sistemi in relazione agli scambi di calore e lavoro. GENERALITÀ SUI SISTEMI TERMODINAMICI

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1 TERMODINAMICA Termodinamica: scienza che studia le proprietà e il comportamento dei sistemi, la loro evoluzione e interazione con l'ambiente esterno che li circonda. Studia le trasformazioni dei sistemi in relazione agli scambi di calore e lavoro. GENERALITÀ SUI SISTEMI TERMODINAMICI Un sistema termodinamico è ciò che si vuole analizzare: a) una ben definita quantità di materia (massa di controllo) Es. una ben definita quantità di fluido contenuta in un recipiente a pareti rigide o mobili b) una ben definita regione di spazio (volume di controllo) Es. un componente di impianto attraverso cui fluisce un fluido esterno sistema confine materia scambio e di di energia term-1

2 Confine (contorno, superficie di controllo) del sistema: superficie reale o immaginaria che delimita il sistema. Attraverso il confine il sistema può scambiare materia ed energia con l'esterno. Esterno al sistema (ambiente): tutto ciò che circonda il sistema e interagisce con esso. Sistema chiuso (massa di controllo): è costituito da una determinata e ben definita quantità di materia. Il confine di un sistema chiuso è impermeabile alla massa. Attraverso il confine: NO scambi di materia SI scambi di energia sistema chiuso massadi controllo da confine scambio di energia Sistema isolato: sistema chiuso ove attraverso il confine non possono avvenire scambi di energia con l'esterno. Attraverso il confine: NO scambi di materia NO scambi di energia term-2

3 Sistema aperto (volume di controllo): è costituito da una ben definita regione dello spazio delimitata da una superficie permeabile alla massa. Attraverso il confine: SI scambi di materia SI scambi di energia scambio di materia confine del volume di controllo sistema aperto scambio di energia term-3

4 Studio dei sistemi Termodinamica statistica: approccio a livello microscopico partendo dalla struttura della materia (atomi, molecole). Viene studiato con metodi statistici il comportamento medio delle particelle in modo da prevedere il comportamento macroscopico della materia. Termodinamica classica: approccio a livello macroscopico. Si studia il comportamento globale dei sistemi in modo più semplice e diretto. Stato di un sistema: insieme dei valori numerici assunti dalle proprietà che caratterizzano il sistema. Proprietà di stato o grandezza di stato: una qualunque caratteristica macroscopica del sistema il cui valore può essere assegnato ad un dato istante senza conoscere la storia del sistema. Es. pressione, temperatura, volume, massa, densità term-4

5 N.B. a) Non tutte le grandezze di stato sono indipendenti tra loro, ma alcune sono definite in funzione di altre. Es. densità: ρ = m V b) Per descrivere lo stato di un sistema occorre precisare un numero minimo di grandezze di stato tra loro indipendenti. Proprietà di stato estensive: dipendono dalla massa del sistema. Il loro valore riferito all'intero sistema è uguale alla somma dei valori delle diverse parti. Es. massa, volume, energia interna, Proprietà di stato intensive: non dipendono dalla massa del sistema. Sono proprietà locali. Es. velocità, densità, temperatura, pressione, Fluido termodinamico: il suo stato è completamente descritto da due grandezze di stato tra loro indipendenti. term-5

6 Equazione di stato: funzione che mette in relazione le grandezze di stato tra loro indipendenti. Es. Fluido termodinamico per cui (p,v) sono tra loro indipendenti equazione di stato: f(p,v) = 0 Equilibrio termodinamico: condizione per cui in un sistema isolato le grandezze di stato non variano nel tempo. Se un sistema si trova in uno stato di equilibrio termodinamico, tutte le proprietà del sistema assumono valori ben determinati, misurabili o calcolabili, in qualunque punto al suo interno. Se il valore di una sola proprietà cambia, è diverso lo stato di equilibrio del sistema. m T1 V 1 2 kg = 20 C = 1.5 m m T = 2 kg = 20 C = 2 3 V2 = 2.5 m 3 stato di equilibrio 1 stato di equilibrio 2 term-6

7 Un sistema è in equilibrio termodinamico quando esistono le condizioni di equilibrio termico, meccanico, chimico e di fase. Equilibrio termico: il sistema non presenta gradienti di temperatura che determinino l'instaurarsi di flussi di calore e quindi una variazione temporale della temperatura delle diverse parti del sistema. Due masse di gas a diversa temperatura separate da un setto adiabatico (termicamente isolante) sono in equilibrio termico. L'eliminazione del setto determina un trasferimento di calore dalla massa a temperatura maggiore a quella a temperatura minore, fino al raggiungimento di un nuovo stato di equilibrio termico in cui il sistema è a temperatura uniforme. 20 C 10 C 15 C 15 C N.B. prima dopo Dati due corpi a differente temperatura t 1 > t 2 posti a contatto tra loro trasferimento di calore dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore finché i due corpi raggiungono la stessa temperatura t f si dice che i due corpi hanno raggiunto l'equilibrio termico. term-7

8 Equilibrio meccanico: all'interno del sistema non vi è squilibrio di forze, ovvero in nessun punto del sistema vi sono variazioni di pressione nel tempo. N.B. 1) La pressione può variare all'interno del sistema con la quota (pressione idrostatica), ma non ci sono squilibri di forze e il sistema è in equilibrio meccanico. 2) La variazione di pressione con la quota è un effetto trascurabile nella maggior parte dei sistemi termodinamici pressione uniforme nel sistema. Equilibrio chimico: la composizione chimica del sistema non varia nel tempo, ovvero non si verificano reazioni chimiche. Equilibrio di fase: in un sistema che comprende più fasi (es. fase liquida e fase vapore), la massa di ciascuna fase permane costante nel tempo. term-8

9 Trasformazione termodinamica: processo in cui le grandezze di stato di un sistema cambiano nel tempo e quindi lo stato del sistema si trasforma il sistema passa da uno stato di equilibrio ad un altro. Le trasformazioni termodinamiche sono dovute all'interazione tra il sistema e l'ambiente esterno, cioè agli scambi energetici attraverso il confine del sistema sotto forma di calore e lavoro. Scambio di calore: scambio di energia che accompagna una trasformazione del sistema provocata da una differenza di temperatura tra sistema ed esterno. Scambio di lavoro: scambio di energia che accompagna una trasformazione del sistema provocata dallo spostamento di una parte della superficie di confine. Convenzione sui segni degli scambi energetici esterno esterno sistema sistema Q ( + ) L ( ) L ( + ) scambi POSITIVI Q ( ) scambi NEGATIVI term-9

10 Trasformazione quasi-statica: trasformazione termodinamica costituita da una successione di stati di equilibrio. p p 2 2 p 1 1 v1 v2 v Una trasformazione quasi-statica può essere rappresentata in un piano termodinamico con una linea continua, detta linea della trasformazione. term-10

11 Trasformazione reversibile: trasformazione termodinamica che può essere ripercorsa in senso inverso senza lasciare tracce nell'ambiente circostante. p p 2 2 p 1 1 v1 v2 v Se la trasformazione 1 2 è reversibile, alla fine della trasformazione inversa 2 1 il sistema e l'ambiente circostante ritornano nelle condizioni iniziali. Trasformazione reversibile Trasformazione quasi-statica Trasformazione reversibile Trasformazione quasi-statica trasformazioni quasi-statiche trasformazioni reversibili term-11

12 Trasformazione reali: trasformazioni non reversibili o irreversibili. Le trasformazioni reali vengono rappresentate su un piano termodinamico con una linea tratteggiata in quanto tra lo stato iniziale 1 e lo stato finale 2 non è possibile individuare degli stati di equilibrio. p p 2 p v1 v2 v Trasformazioni termodinamiche notevoli Isoterma temperatura costante Isobara pressione costante Isocora volume specifico costante Adiabatica scambio di calore con l'esterno nullo Trasformazione ciclica: p trasformazione termodinamica per cui lo stato iniziale del sistema coincide con lo stato finale. 1 2 v term-12

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