IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
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- Flavio Bucci
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1 IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell, Johnson, Young, Stadler Zanichelli editore Fondamenti di fisica 1 Halliday, Resnic, Walker Zanichelli editore Integrazioni e LO a cura del docente
2 DI COSA SI OCCUPA LA TERMODINAMICA? La termodinamica è la parte della fisica che analizza le leggi fondamentali che coinvolgono il calore e il lavoro.
3 SISTEMA E AMBIENTE Le pareti che separano il sistema dall ambiente si dividono in pareti diatermiche: pareti che si lasciano attraversare dal calore pareti adiabatiche: pareti isolanti, che impediscono qualsiasi scambio di calore tra il sistema e il suo ambiente
4 SCAMBI TRA SISTEMA E AMBIENTE Gli scambi di energia avvengono sotto forma di calore e di lavoro. Quando un sistema riceve energia dall esterno, la sua energia interna aumenta; quando ne cede parte all esterno, la sua energia interna diminuisce.
5 SISTEMA TERMODINAMICO IDEALE SISTEMA = Gas nel cilindro AMBIENTE = pareti esterne del cilindro, pistone e fornello Aumento dell energia di sistema: con il fornello acceso, il sistema riceve energia dall esterno sotto forma di calore se il pistone viene abbassato, il sistema riceve energia sotto forma di lavoro compiuto da una forza esterna.
6 GLI SCAMBI DI ENERGIA TRA UN SISTEMA E L AMBIENTE
7 LE PROPRIETÀ DELL ENERGIA INTERNA DI UN SISTEMA DATI FORNITI: VV = 2,5 dddd 3 (da trasformare) TT = 15 CC (da trasformare) pp ii = 1,2 aaaaaa (da trasformare) pp ff = (1,2 0,7) aaaaaa (da trasformare) DATI DA DETERMINARE: NN =? UU =?
8 PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA Se due sistemi sono individualmente in equilibrio termico con un terzo sistema, essi sono in equilibrio termico tra di loro.
9 PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Quando l energia interna di un sistema comporta una variazione U a causa di uno scambio di calore Q e di un lavoro L, vale la relazione: Riduzione dell energia interna UU = QQ LL Q è positivo quando il sistema assorbe calore e negativo quando lo cede; L è positivo quando il lavoro è compiuto dal sistema e negativo quando il lavoro è compiuto sul sistema. Aumento dell energia interna
10 LAVORO POSITIVO E NEGATIVO
11 FUNZIONI DI STATO E NON L energiainterna dipende solo dallo stato del sistema e non dal modo in cui il sistema è giunto a quel determinato stato. Per questo motivo si dice che l energia interna è una funzione di stato. Il calore e il lavoro, invece, non sono funzioni di stato
12 TRASFORMAZIONI REALI E TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE REALI
13 TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE L equilibrio termodinamico comprende tre tipi diversi di equilibrio 1. Equilibrio meccanico (la risultante delle forze che agiscono sul pistone deve essere nulla). 2. Equilibrio chimico la struttura interna e la composizione chimica del sistema devono rimanere inalterate. 3. Equilibrio termico la temperatura deve essere uniforme in tutto il fluido.
14 TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE Una trasformazione è detta quasi-statica se avviene così lentamente che, in ogni istante, la pressione e la temperatura sono uniformi in tutte le parti del sistema. Così come il punto materiale o il gas perfetto, la trasformazione quasi-statica costituisce un modello semplice che descrive bene le situazioni reali soltanto in casi particolari.
15 TRASFORMAZIONE ISOCÒRA Se si riscalda un gas mantenendolo a volume costante, il primo principio della termodinamica si riduce alla semplice uguaglianza: UU = QQ poiché il gas non compie lavoro (L = 0) e il calore assorbito dal gas va ad aumentare la sua energia interna.
16 TRASFORMAZIONE ADIABATICA In una trasformazione adiabatica - compiuta, per esempio, isolando termicamente il gas, in modo che non vi sia alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante (Q = 0) - per espandersi il gas compie un lavoro (dal sistema sull ambiente) e il primo principio della termodinamica si riduce all'uguaglianza: UU = LL
17 TRASFORMAZIONE ISOTERMA Se, infine, si compie sul sistema una trasformazione a temperatura costante e si diminuisce la sua pressione, il gas si espande mantenendo invariata la sua energia interna, quindi per il primo principio della termodinamica si avrà: UU = 0 QQ = LL La stessa relazione vale per le trasformazioni cicliche, in cui il sistema dopo la trasformazione torna allo stato iniziale.
18 APPLICAZIONE Si consideri un gas che compie la trasformazione rappresentata nel piano di Clapeyron in fig. 1. Sapendo che la pressione in A è pari a 3 bar e quella in B è pari a 1 bar, il volume in A è 100 cm 2 e le temperature T A =T B, si calcoli il lavoro compiuto dal sistema durante la trasformazione.
19 TRASFORMAZIONE ISOBARA Una trasformazione si dice isobara quando avviene a pressione costante. In queste trasformazioni il lavoro si esprime come prodotto della pressione costante per la variazione di volume LL = FF ss LL = pp VV Rappresentazione nel piano di Clapeyron
20 TRASFORMAZIONE ISOBARA QQ = cccc TT
21 APPLICAZIONE Un gas si trova inizialmente alla temperatura di 273 K ed ha un volume di 2 m 3. Che valore assume il suo volume se viene portato isobaricamente alla temperatura di 300 K?
22 TRASFORMAZIONE ISOCORA Una trasformazione isocora è una trasformazione che avviene a volume costante. In un contenitore rigido, la pressione del gas aumenta a causa dell energia cinetica prodotta dall aumento di temperatura; tuttavia le pareti non si muovono pertanto il lavoro è nullo (vedi rappresentazione nel piano di Clapeyron) L = 0 UU = QQ
23 APPLICAZIONE Una pentola a pressione fa scattare la valvola di sicurezza a 3 atm. Supponendo che, inizialmente, all interno della pentola vi sia vapore acqueo in condizioni normali (pressione 1 atm e temperatura T=273,15 K), a quale temperatura si trova il vapore quando scatta la valvola di sicurezza? R=546 C
24 TRASFORMAZIONE CICLICA Una trasformazione è detta ciclica quando lo stato iniziale e lo stato finale coincidono.
25 ESPANSIONE O COMPRESSIONE ISOTERMA In questa trasformazione la pressione e il volume sono variabili e dipendono l una dall altro. Il lavoro è comunque espresso numericamente all area compresa sotto la curva del grafico:
26 ESPANSIONE O COMPRESSIONE ADIABATICA La figura mostra una situazione in cui n moli di un gas perfetto compiono un lavoro in condizioni adiabatiche, espandendosi quasi-staticamente da un volume iniziale V i a un volume finale V f. Il cilindro è circondato da un materiale isolante che impedisce qualsiasi flusso di calore e quindi Q = 0 J.
27 Trasformazioni termodinamiche
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