Il Primo principio della termodinamica
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Lezione n.3 (Corso di termodinamica) Il Primo principio della termodinamica Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Indice ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Equazioni di bilancio Portata Bilancio di massa Energia Flussi di energia: calore e lavoro Lavoro d’elica e di variazione di volume Bilancio di energia per sistemi chiusi Primo principio della termodinamica per sistemi chiusi (convenzione del segno) Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Equazione di bilancio Σ $ entrata + $ generata = Σ $ uscita + $ distrutta + $ accumulata Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Equazione di bilancio La quantità di G entrata + La quantità di G generata = La quantità di G distrutta + La quantità di G uscita + La quantità di G accumulata Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Bilancio di una grandezza G Regime stazionario La quantità di G accumulata = 0 La quantità di G entrata + La quantità di G generata = La quantità di G distrutta + La quantità di G uscita Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Bilancio Grandezza conservativa La quantità di G generata = 0 La quantità di G distrutta = 0 La quantità di G entrata = La quantità di G uscita Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Massa La massa è una grandezza conservativa La massa non può essere generata La massa non può essere distrutta mgen= 0 mdis= 0 Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Bilancio di massa per SA ∑m e = Δm acc + me1 ∑m u mu1 mgen = 0 me2 mu2 mdis = 0 me3 mu3 Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Portata di un fluido Δm A wΔθ Portata massica Δ m = ρ A w Δθ [kg ] Δm m& = lim =ρ Aw Δθ → 0 Δθ Portata volumetrica V& = A w = m& ρ [kg s] [m s] 3 Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Energia Definizione: Capacità di un sistema di compiere lavoro Forme di energia Energia meccanica (cinetica e potenziale) Energia chimica e nucleare Energia elettrica Energia interna … Energia eolica, solare, rinnovabile, … E t = U + E c + E p + E e le + ... Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Energia interna L’energia interna di un sistema è la somma di tutte le forme microscopiche di energia energia sensibile: cinetica traslazionale, di rotazione e di vibrazione, energia latente: legata alle forze intermolecolari Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Trasformazioni di energia Trasformazioni dell’energia Energia chimica Æ Energia termica Energia meccanica Æ Energia elettrica Energia termica Æ Energia meccanica … Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Proprietà dell’ energia (postulato dell’energia) L’ energia è una proprietà termodinamica estensiva (che gode della proprietà additiva) e conservativa L’ energia non può essere generata L’ energia non può essere distrutta Egen= 0 Edis= 0 Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Flusso di energia: Modo Calore calore Energia trasferita tra due sistemi a causa di una differenza di temperatura Q [J ] Q & Q = lim Δθ → 0 Δ θ [W ] Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Flusso di energia: Modo Lavoro lavoro spostamento Energia trasferita tra due sistemi per una causa non riconducibile ad una differenza di temperatura L 1 kg [J ] L & L = lim Δθ → 0 Δ θ [W ] Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Lavoro di variazione di volume Lavoro che l’ambiente compie su un sistema chiuso (o viceversa) per spostare una sua parete Lp= forza·spostamento pex dz = pA ⋅Δx = pΔ V [J ] gas A Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Lavoro d’elica Una girante calettata ad un albero posto in rotazione da un motore elettrico trasferisce energia in modo lavoro al fluido ventilatore, pompa Una girante posta in rotazione dal fluido in moto trasferisce energia in modo lavoro all’albero cui è calettata turbina idraulica Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Bilancio di energia per sistemi chiusi ∑ L +∑ Q =∑ L +∑ Q i i u avendo indicato con: Li energia entrante in modo lavoro Qi energia entrante in modo calore Lu energia uscente in modo lavoro Qu energia uscente in modo lavoro u + ΔE Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Primo principio per sistemi chiusi indicando: L = ∑ Lu − ∑ Li (lavoro netto uscente) Q = ∑ Qi − ∑ Qu (calore netto entrante) e ponendo: ( ) Δ w2 2 ≅ 0; g Δz ≅ 0 e quindi: ΔE = ΔU Q−L = Δ U Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Primo principio per sistemi chiusi (forma differenziale) dU = δ Q − δ L du = δ q − δ l Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Esercizio Un provino di ferro da 5 kg alla temperatura di 120 °C è posto in un recipiente termicamente isolato contenente 50 dm3 di acqua a 20 °C. Quale sarà la temperatura all’equilibrio? ΔU ferro + ΔU acqua = 0 [mc(Tf − Ti )]ferro + [mc(Tf − Ti )]acqua = 0 5 ⋅ 0,45 (Tf − 120 ) + 50 ⋅ 4,2 (Tf − 20 ) = 0 5 ⋅ 0,45 ⋅ 120 + 50 ⋅ 4,2 ⋅ 20 Tf = = 52 °C 5 ⋅ 0,45 + 4,2 ⋅ 20 Modulo di Termodinamica Lezione 3 Primo Principio Limiti del primo principio Non spiega la direzione dei fenomeni (ovvero delle trasformazioni termodinamiche) Non spiega la diversa qualità dell’energia Non da alcuna indicazione sulla possibilità di trasformare una forma di energia in un altra
