Il primo principio della termodinamica

Capitolo 15
La
termodinamica
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
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.
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Le forze intermolecolari
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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’una dall’altra.
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Il moto di agitazione termica
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Il palloncino riscaldato si dilata …
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L’interpretazione microscopica
della temperatura
L’energia cinetica media Kmedia di una molecola, dovuta al moto
di traslazione, è direttamente proporzionale alla temperatura
assoluta.
costante di Boltzmann
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L’energia interna
Si chiama energia interna U di un sistema fisico la somma
della sua energia potenziale Epot e dell’energia cinetica
complessiva K delle molecole che lo compongono.
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Gas reale e gas perfetto
Nel gas perfetto l’energia
potenziale, dovuta alle forze
intermolecolari, è nulla.
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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’energia.
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Cosa studia la termodinamica?
La termodinamica studia
le leggi con cui i sistemi
scambiano (cioè cedono
e ricevono) energia
con l’ambiente.
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Scambi di energia
Come fa il sistema
a scambiare calore
e lavoro con l’ambiente
esterno?
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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.
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Lo stato nel diagramma pressione-volume
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Il principio zero della termodinamica
Se il corpo A è in equilibrio termico con un corpo C
e anche un altro corpo B è in equilibrio termico con C,
allora A e B sono in equilibrio termico fra loro.
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L’energia interna di un gas perfetto
Nel caso del gas perfetto, l’energia interna è uguale
alla somma delle energie cinetiche delle sue molecole.
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L’energia interna è una funzione di stato
A ogni stato del sistema
corrisponde uno e un solo
valore dell’energia interna.
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Sollevamento “pesi”
L’espansione isobara del gas produce un lavoro positivo.
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Il lavoro del sistema
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Il lavoro è un’area
trasformazione
isobara
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trasformazione
qualsiasi
Il primo principio della termodinamica
Nei sistemi che scambiano lavoro
e calore, l’energia si conserva,
cioè la sua quantità totale
rimane uguale.
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Il segno del calore e del lavoro
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Trasformazioni isòcore (1)
primo principio della termodinamica
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Trasformazioni isòcore (2)
Nel riscaldamento a volume costante il gas assorbe
una quantità Q di calore e la sua energia interna aumenta
della stessa quantità.
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La bomboletta spray
Il gas della bomboletta si espande
senza avere il tempo di assorbire
calore dall’esterno e si raffredda.
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L’espansione adiabatica (1)
primo principio della termodinamica
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L’espansione adiabatica (2)
Nell’espansione adiabatica il gas compie un lavoro positivo
e la sua energia interna diminuisce: il gas si raffredda.
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La pompa della bicicletta
Mentre si gonfia la ruota
di una bicicletta,
la pompa tende a scaldarsi.
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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.
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Il motore a quattro tempi (a scoppio)
Il movimento dei pistoni
all’interno dei cilindri
del motore di un’automobile
è causato dall’espansione
e dalla compressione
di una piccolissima quantità
di sostanza gassosa:
una miscela di aria e benzina.
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Primo tempo: aspirazione
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Secondo tempo: compressione
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Terzo tempo: combustione-espansione
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Quarto tempo: scarico
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Trasformazioni cicliche
Una trasformazione ciclica è rappresentata nel diagramma
pressione-volume da una curva chiusa.
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Il lavoro in una trasformazione ciclica
Il lavoro compiuto dal sistema in un ciclo di funzionamento
del motore è uguale all’area del grafico pressione-volume
contenuta nella linea chiusa.
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Benzina o diesel?
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Le macchine termiche
Una macchina termica è un dispositivo
che realizza una serie di trasformazioni
cicliche trasformando calore in lavoro.
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Il secondo principio della termodinamica
Non è possibile realizzare una trasformazione ciclica
che trasformi in lavoro tutto il calore prelevato
da una sola sorgente.
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.
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Le centrali termoelettriche
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Il rendimento di una macchina termica
Il rendimento r è dato dal rapporto tra il lavoro compiuto W
e il calore assorbito Q2.
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Il rendimento massimo
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Macchine termiche a confronto
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Dispositivi elettrici a confronto
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