I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA. G. Pugliese 1

Documenti analoghi
Calore e lavoro. 1 caloria = quantità di calore che bisogna cedere a 1 g di acqua per far passare la sua temperatura da 14.5 a 15.

La misura della temperatura

i tre stati di aggregazione

La temperatura. La materia può trovarsi in tre stati diversi di aggregazione diversi: solido, liquido e gassoso

Temperatura, calore e prima legge termodinamica

TERMOLOGIA & TERMODINAMICA II

Fisica per Medicina. Lezione 9 - Termodinamica. Dr. Cristiano Fontana

Termodinamica: introduzione

Modi di Trasmissione del Calore

PDF Compressor Pro. Temperatura e calore. Prof Giovanni Ianne

CONVENZIONE SUI SEGNI


Lezione 9 Termodinamica

Lezione 14 Termologia Cambiamenti di stato. Dilatazioni termiche. Trasmissione del calore.

Calore e Temperatura

CALORE E TEMPERATURA

Fisica per scienze ed ingegneria

IL CALORE. Il calore. Esperimento di Joule. Il calore

TERMODINAMICA Per lo studio scientifico di un problema occorre separare idealmente una regione di spazio limitata ( sistema ) da tutto ciò che la

Lezione 2.2: trasmissione del calore!

Lezione 10. Cenni di Termodinamica. Temperatura e calore Definizione e misura della temperatura Calore Principi della Termodinamica

Temperatura. Temperatura

TERMOLOGIA & TERMODINAMICA I

La lezione di oggi. Posso trasferire il calore da un corpo a un altro

GAS IDEALI E MACCHINE TERMICHE. G. Pugliese 1

Temperatura e calore. Principi della termodinamica Temperatura Calore Gas ideali

Sono processi unitari le Sintesi industriali.

Il trasporto di energia termica: introduzione e trasporto conduttivo. Principi di Ingegneria Chimica Ambientale

Temperatura e Calore (parte 1) 07/05/15 Temperatura e Calore 1

TERMOLOGIA CALORE TEMPERATURA DILATAZIONE TERMICA

A.S. 2016/2017 PROGRAMMA SVOLTO E INDICAZIONI PER IL RECUPERO ESTIVO. Del prof. Gabriele Giovanardi (nome e cognome in stampatello) docente di Fisica

Il I principio della termodinamica. Calore, lavoro ed energia interna

Fisica per scienze ed ingegneria

Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria. C.d.L. Scienze e Tecnologie Agrarie, A.A. 2015/2016, Fisica TERMODINAMICA

Programma svolto a.s. 2015/2016. Materia: fisica

Perchè la termodinamica?

Fisica Main Training Lorenzo Manganaro

TEMPERATURA E CALORE. Termometri, dilatazione termica, calore specifico. FISICA - Prof. Massimiliano Bacchi

Vi sono tre meccanismi di propagazione del calore: Conduzione Convezione Irraggiamento

Cavo Carbonio. Sergio Rubio Carles Paul Albert Monte

CALORIMETRIA E TERMODINAMICA. G. Roberti

Università degli Studi di Milano. Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali

Calorimetria. Principio zero Trasformazioni termodinamiche Lavoro termodinamico

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

C e detta capacita termica

Proprietà dei materiali


Termodinamica. studia le modificazioni subite da un sistema a seguitodel trasferimento di energia sotto forma di calore e lavoro.

Video introduzione Equilibrio termico Definizione di temperatura Esperimento di Joule. Primo principio della Termodinamica. Trasmissione del calore

IL CALORE LA TEMPERATURA E I PASSAGGI DI STATO

CONVEZIONE, CONDUZIONE E IRRAGGIAMENTO

L INCIDENZA DI UN TETTO SUL MICROCLIMA URBANO

Principi della Termodinamica

Termometro e temperatura

Esperimentazioni di Fisica 1 Tracce delle lezioni di TERMOLOGIA

Trasmissione di calore per radiazione

Le proprietà delle sostanze temperatura

CORSO DI METEOROLOGIA GENERALE E AERONAUTICA 2 - Termodinamica dell Atmosfera

Secondo principio della termodinamica: perché????

TRASMISSIONE DEL CALORE

V=kT e P=jT, dove k e j sono costanti a temperatura costante(isoterma):p*v=costante ( legge di Boyle) Per dei gas perfetti che obbediscono alle leggi

TERMODINAMICA. trasmissione del calore

Lez 10 02/11/2016. Lezioni in didattica_fisica/did_fis1617/ E. Fiandrini Fis Sper e Appl Did 1617

FISICA TECNICA AMBIENTALE

LINEE GENERALI DEL PROGRAMMA DI FISICA DELLE CLASSI 3^AOEN E 3^BOEL DELL ANNO SCOLASTICO 2010/ QUADRIMESTRE

Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici CAPITOLO 5 TERMODINAMICA

LA TRASMISSIONE DEL CALORE

Temperatura Calore Trasformazioni termodinamiche

ISTITUTO TECNICO AGRARIO STATALE E. SERENI ROMA

H - STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA

Energia e Lavoro. In pratica, si determina la dipendenza dallo spazio invece che dal tempo

Lo stato si un gas è caratterizzato da determinanti valori di temperatura, volume e pressione, che rappresentano variabili di stato termodinamico

FISICA CLASSE 4ASU. CAPITOLO 10 Legge di conservazione della : se su un sistema non agiscono forze, la quantità di moto totale del sistema

Energia e trasformazioni spontanee

SISTEMA SEMPLICE SISTEMA CHIUSO

TERMOLOGIA & TERMODINAMICA III

MISURE DI CALORIMETRIA

Secondo principio della termodinamica

Fisica. Architettura (corso magistrale a ciclo unico quinquennale) Prof. Lanzalone Gaetano. Lezione 6 maggio 2013

IPSSAR P. ARTUSI - Forlimpopoli (Fc) 1 ANNO MODULO: ACCOGLIENZA

Programma di Fisica e laboratorio

Meteorologia Sinottica Termodinamica dell Atmosfera

Indice. 2 Moto in una dimensione 2.1 Spostamento e velocità Accelerazione Moto uniformemente accelerato 37 2.

TERMODINAMICA. Il sistema è il corpo o l insieme dei corpi sotto esame.

Esercizi di termologia

L irraggiamento termico

Il calore e la temperatura

L equilibrio dei gas. Lo stato di equilibrio di una data massa di gas è caratterizzato da un volume, una pressione e una temperatura

Fisica Main Training Lorenzo Manganaro

PIANO DI STUDIO D ISTITUTO

14. Transizioni di Fase_a.a. 2009/2010 TRANSIZIONI DI FASE

UNITA' 21 SOMMARIO U.21 LE MODALITÀ DI TRASMISSIONE DEL CALORE ATTENZIONE

IL CALORE. Appunti di fisica RISCALDARE CON IL CALORE

Convezione Conduzione Irraggiamento

Studia le leggi con cui i corpi scambiano (cedono/assorbono) lavoro e calore con l'ambiente che li circonda.

10. LA MISURA DELLA TEMPERATURA

Lez 15 22/11/2016. Lezioni in didattica_fisica/did_fis1617/ E. Fiandrini Fis Sper e Appl Did 1617

I PARAMETRI MICROCLIMATICI PER AMBIENTI INTERNI

La Termodinamica è la disciplina che si occupa dello studio degli scambi di energia e di materia nei processi fisici e chimici

Transcript:

I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA G. Pugliese 1

Esperimento di Joule Esperimenti di Joule (1800): il sistema termodinamico è costituito da un recipiente a pareti adiabatiche riempito di acqua. 1. mulinello viene messo in rotazione compiendo del lavoro W 1 fornito dalla variazione energia potenziale di due masse che scendono sotto l azione della forza di gravità. L acqua si riscalda per effetto dell attrito. 2. Un conduttore di resistenza R percorso da corrente viene messo nell acqua. W 2 il lavoro speso per far circolare corrente. 3. Due blocchi di metallo immersi nell acqua vengono strofinati. W 3 il lavoro speso contro le forze di attrito. Il lavoro adiabatico, qualunque esso sia, speso per portare il sistema dallo stato iniziale a quello finale, è sempre proporzionale alla variazione di temperatura. G. Pugliese 2

Energia interna Data l indipendenza del lavoro dal percorso, ma la dipendenza dagli stati iniziali e finali, esiste una funzione del sistema U, detta energia interna, tale che: W adiab = ΔU =U f U i U è una funzione di stato, che dipende solo dallo stato del sistema (ossia dalle coordinate termodinamiche) L energia interna si misura in Joule (noto dalla meccanica) G. Pugliese 3

Equivalenza tra Calore e Lavoro Ø Lo stesso aumento di temperatura si può ottenere, anche senza compiere lavoro termodinamico, avvicinando per esempio avvicinando all acqua un corpo più caldo: scambio di calore. Ø Se si può ottenere lo stesso cambiamento di stato (ossia la stessa variazione di T) sia tramite calore che lavoro meccanico possiamo postulare l equivalenza degli effetti: Q Wadia Ø Quindi Δt con scambio di calore con lavoro nullo: ΔU = Q G. Pugliese 4

Equivalenza tra Calore e Lavoro Equivalenza tra calore e lavoro: Q è il calore scambiato, senza lavoro esterno, per far cambiare di ΔT la temperatura di una massa di acqua e W il lavoro che deve essere speso, in condizioni adiabatiche, per ottenere la stessa variazione di temperatura, sono uguali. Q = W sistema W > 0 Il calore si misura in Joule W < 0 ambiente G. Pugliese 5

I principio della termodinamica Ø Se il sistema compie una trasformazione dallo stato A allo stato B, scambiando sia calore che lavoro, sperimentalmente si vede che Q e W dipendono dalla trasformazione, mentre Q-W è indipendente dalla trasformazione: Q W = ΔU Ø L energia interna è una funzione di stato le cui variazioni danno gli scambi energetici del sistema con l ambiente. Ø Se durante una trasformazione si fornisce energia al sistema, tramite lavoro o scambio di calore, questa resta immagazzinata sotto forma di energia interna e poi riutilizzata (senza nessun limite??) G. Pugliese 6

Primo principio..applicazioni Trasformazione adiabatica: è una trasformazione in cui Q = 0 W = ΔU Trasformazione ciclica: è una trasformazione in cui il sistema esegue una qualunque trasformazione che lo riporti allo stato iniziale. ΔU = 0 Q = W Trasformazione infinitesime: δq δw = du G. Pugliese 7

Bilancio energetico processi dissipativi Consideriamo un corpo che con velocità iniziale v si muova su un piano scabro. 1 a fase: processo adiabatico (non c è equilibrio meccanico) 2 nda fase: scambio calore con l ambiente (non c è equilibrio termico) W = ΔU W = ΔK < 0 Q = ΔU Q < 0 ceduto all'ambiente ΔU > 0 U cresce ΔU < 0 U decresce Energia cinetica viene persa ma calore viene ceduto all ambiente in uguale quantità G. Pugliese 8

La calorimetria Ø Si definisce capacità termica, media: Il calore necessario per far variare di 1 K la temperatura di un corpo T. C = Q ΔT (caratteristica del corpo) Ø Si definisce calore specifico, medio: il calore che occorre scambiare con l unità di massa di una sostanza, alla temperatura T, per farne variare la temperatura di 1 K. (caratteristica del materiale) Calore specifico molare In termini infinitesimi: C m 1 m Q ΔT G. Pugliese 9 c = = Q = mcδt c m = 1 n c = 1 m dq dt dq dt

Il calore specifico Ø dipende dalla sostanza Ø dipende dalla T, si considera costante per piccole variazioni, da T amb Ø dipende dalla trasformazione con cui viene ceduto calore G. Pugliese 10

Cambiamento di Fase Cambiamento di fase: ossia il passaggio di una sostanza da una fase all altra. v la temperatura non varia (Trasformazione isoterma) v la quantità di calore scambiata: Q = λδm Cambiamento di Fase Solido è liquido liquido è solido liquido è vapore Vapore è liquido Solido è vapore vapore è Solido Terminologia Fusione Solidificazione Evaporazione Condensazione Sublimazione Sublimazione G. Pugliese 11

Cambiamento di Fase: Q = λ F Δm Q = λ V Δm G. Pugliese 12

Sorgente di calore Definiamo sorgente di calore o serbatoio un sistema termodinamico con capacità termica praticamente infinita e che quindi può assorbire o cedere calore restando a temperatura costane. C = Q Δ T Ad es. una grande massa di acqua o aria. ΔT se = C Q mc opp. ΔT 0 m Q > 0 per il sistema, < 0 per la sorgente Q < 0 per il sistema > 0 per la sorgente G. Pugliese 13

Trasmissione del calore Lo scambio e il trasporto di calore entro un sistema possono avvenire attraverso uno dei seguenti meccanismi detti trasmissione di calore: 1. Conduzione 2. Convezione 3. Irraggiamento Operano sempre in presenza di una differenza di temperatura tra sistema ed ambiente o all interno del sistema stesso. G. Pugliese 14

Conduzione Conduzione: ha luogo quando si realizza un trasferimento di energia da un corpo all altro posti a contatto ed a diverse T o all interno di un corpo in cui ci sia un gradiente di T. Legge di Fourier: il calore che passa attraverso una superficie isoterma ds nel tempo dt, in presenza di un gradiente di temperatura dt/dx (ortogonale a ds, orientato nel verso delle temperature crescenti) è: dq = k dt dx dsdt k coefficiente di conducibilità termica (funzione della temperatura) G. Pugliese 15

Conducibilità termica A seconda del valore di k distingueremo le sostanze in buoni o cattivi conduttori G. Pugliese 16

Convezione Convezione: processo per il quale il calore si trasmette da una regione ad un altra del fluido. Avviene quando il fluido è a contatto con un oggetto la cui temperatura è diversa da quella del fluido. Moto convettivo: le parti di fluido più calde (meno dense) vengono spinte verso l alto (spinta di Archimede) e sostituite da quelle più fredde. Circolazione convettiva. G. Pugliese 17

Irraggiamento Irraggiamento: Per avere trasferimento di calore non è necessario che ci sia materia. Un corpo a T emette energia sotto forma di onde e.m. che si propagano nello spazio, anche se vuoto. L energia del sole viene trasportata da onde e.m. Tutti gli oggetti emettono (ed in parte assorbono) radiazione elettromagnetiche dipendenti dalla loro T. Legge di Stefan Boltzman: il potere emissivo (energia emessa/unità di tempo e di superficie) Dove e emissività, dipende dalle proprietà del materiale e = 1 à superficie nera σ è costante universale 5.67 10-8 J/m 2 s K 4 ε = σ et 4 G. Pugliese 18

Dilatazione termica di solidi e liquidi n n I corpi si dilatano con la temperatura. Esistono termometri che basano il loro funzionamento sulla differenza di dilatazione tra i vari componenti. I corpi unidimensionali (un filo, una sbarra, etc), per ΔT piccoli: Δl = lα ΔT α = 1 l dl dt Coefficiente di dilatazione lineare Dipende dalla temperatura, per intervalli limitati di T può essere considerato costante G. Pugliese 19

La dilatazione superficiale e di volume Consideriamo una lastra rettangolare, di un materiale isotropo (ossi che abbia il coefficiente uguale in tutte le direzioni), entrambe le dimensioni si dilateranno con la stessa legge: l ' 1 = l ( 1 1 + α ΔT) l ' 2 = l ( 2 1+ α ΔT) A' = l' 1 l ' 2 = l ( 1 1 + α ΔT)l ( 2 1 + α ΔT) = l 1 l 2 l 1 l ( 2 1+ 2α ΔT + α 2 ΔT 2 ) A' = A( 1 + 2α ΔT) Trascurando α 2 ΔT 2 rispetto a 2aΔT In maniera analoga si può vedere che il coefficiente di dilatazione cubica è tre volte quella lineare V' = V 1+ 3α ΔT l 3 ( ) l 1 l 2 20 G. Pugliese 20

Dilatazione di volume dei liquidi n n Nel caso dei liquidi non è possibile parlare di dilatazione lineare o superficiale Si parla solo di dilatazione di volume, o cubica: ΔV = βvδt n I valori del coefficiente di dilatazione di volume per i liquidi sono più grandi, circa un fattore 10, dei corrispondenti valori per i solidi (legame molecolare più debole) n abbastanza indipendenti dalla T. n β generalmente > 0 (se T aumenta e anche V aumenta) n la densità diminuisce materiale β (K -1 ) acqua 1.8 10-4 Alcol etilico 10.4 10-4 benzina 9.6 10-4 cloroformio 14.0 10-4 glicerina 5.3 10-4 mercurio 1.8 10-4 G. Pugliese 21

Dilatazione di volume dell acqua n L'acqua ha un comportamento diverso dagli altri liquidi. n Tra 0 C e 4 C ha un coefficiente di dilatazione negativo n n n n T aumenta e V diminuisce à la densità aumenta raggiungendo il valore massimo a 4 C. Per la temperatura al di sopra dei 4 C l'acqua si dilata anche se non in maniera lineare (T aumenta V aumenta la densità diminuisce). Quando i fiumi si raffreddano, l acqua più fredda, a densità maggiore scende verso il fondo, spingendo in superficie l acqua sottostante che a sua volta si raffredda. A 4 C la densità diminuisce al diminuire di T; l acqua fredda resta in superficie ed inizia a solidificare (a 0 C). L acqua sul fondo del fiume non scende mai al di sotto dei 4 C. G. Pugliese 22