Termodinamica degli stati: superfici e piani caratteristici

Lezione n.5 (Corso di termodinamica)
Termodinamica degli stati:
superficie caratteristica e piani termodinamici
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Indice
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
Stati della materia
Regola delle fasi e postulato di stato
Superficie caratteristica
Diagramma T-v
Diagramma p-T
Diagramma p-v
Coefficienti di espansione e comprimibilità
Calori specifici
Diagramma T-s
Diagramma h-s
Diagramma p-h
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Stati della materia
Una sostanza pura è una sostanza la
cui composizione chimica non varia.
Ossigeno
Acqua
Aria
Una sostanza pura non deve necessariamente
essere composta da un unico elemento chimico.
O2
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Fasi
La fase è l’insieme delle parti omogenee del sistema aventi
lo stesso stato intensivo. Una sostanza pura può trovarsi in
diverse fasi.
solida
liquida
aeriforme
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Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Passaggi di fase
AERIFORME
SOLIDA
Fusione
Solidificazione
LIQUIDA
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Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Regola delle fasi di Gibbs
V=3-F
F= numero di fasi presenti ( solido,liquido,aeriforme)
V= varianza, numero di proprietà che si possono
variare senza che cambi F
1 Fase
SISTEMA
2 Fasi
3 Fasi
Bivariante
Monovariante
Invariante
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Si consideri un sistema pistone-cilindro contenente una sostanza
pura, al quale viene somministrato calore a pressione costante
(trasformazione isobara)
Trasformazione internamente reversibile
Il sistema è inizialmente nello stato A (fase solida)
TB>TA T
p = cost.
vB>vA
TB temperatura
di liquefazione
Calore
B
A
v
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Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Raggiunto lo stato B la sostanza in fase solida comincia a
liquefarsi.
Nello stato C sono presenti la fase liquida e la fase solida.
Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza
in fase liquida e diminuisce quella in fase solida. La
trasformazione termina quando l’ultimo cristallo di ghiaccio
liquefa. Il processo è isotermo
T
p = cost.
C
D
B
Calore
A
v
Modulo di Termodinamica
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Raggiunto lo stato D la sostanza in fase liquida subisce un
aumento di temperatura fino al punto E.
Inoltre è possibile osservare un leggero incremento del volume
(ciò non è vero nell’intervallo 0-4°C per l’acqua)
T
p = cost.
E
D
B
Calore
A
v
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Raggiunto lo stato E la sostanza in fase liquida comincia ad
evaporare.
Sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa
trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e
diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina
quando l’ultimo goccia di acqua evapora. Il processo è isotermo
T
p = cost.
F
E
D
B
Calore
A
v
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Raggiunto lo stato E la sostanza è in procinto di evaporare
Nello stato F sono presenti la fase liquida e la fase gassosa.
Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza
in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La
trasformazione termina quando l’ultimo goccia di liquido
evapora.
T
G
E
p = cost.
F
D
B
Calore
A
v
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Riassumendo
p = cost.
T
Vapore
Liquido + vapore
Liquido
Solido + liquido
Solido
v
Modulo di Termodinamica
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Temperatura e pressione critica
T
Tc
Vapore saturo
Vapore saturo secco
Liquido saturo
vc
v
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Riassumendo
T
Vapore
Liquido
Vapore saturo
Vapore saturo
Liquido saturo
Solido
secco
Liquido e solido
v
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
liquido
liquido-gas
solido
vapore
surriscaldato
p
solidoliquido
T
v
solido-gas
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
p
T
v
p
p
v
T
Modulo di Termodinamica
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Pressione
Diagramma p-T
Fase liquida
Fase solida
Punto critico
Punto triplo
Fase vapore
Temperatura
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Diagramma p-v


area sottesa (lrev)
elevata pendenza
curva limite inferiore
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Coefficiente di espansione isobaro
1   v    ln v 
 
 

v  T p  T p
v   vT , assumendo costante 
T
oppure ln(v / v0 )    dT
T0
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Coefficiente di compressibilità isotermo
  ln v 
1 v 
T   
  

v   p T
  p T
v   T vp, assumendo  T costante
p
oppure ln(v / v0 )     T dp
p0
Modulo di Termodinamica
Lezione 5 – Termodinamica degli stati
Tabella di  e T
Sostanza
 T / 10-6 bar
Benzene
12.4
92.1
Diamante
0.030
0.187
Piombo
0.861
2.21
2.1
49.6
Acqua
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Calori specifici cp e cv
 qrev v
 s 
 h 
cp  
 
 T 
dT
 T  p
 T  p
 qrev  p
 s 
 u 
cv  
 
 T
dT
 T v
 T v
 TV
cP  cV 
T
2
gas ideali:
c p  cV  R
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Tabella calori specifici medi
Sostanza
Aria
(0-100°C)
Acqua
(liquida)
Sughero
Oro
(solido)
cpkJ /kg K cvkJ /kg K
1.01
0.717
---
4.18
---
2,1
---
0,13
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Diagramma h-s




punto critico
isotermobarica
andamento lineare
isobare (nella zona
vapore)
andamento asintotico
orizzontale isoterme
(gas)
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Diagramma di Mollier (acqua)
Modulo di Termodinamica
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Diagramma T-s


area sottesa (qrev)
pendenza isocore e
isobare
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Diagramma T-s (acqua)
Modulo di Termodinamica
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Diagramma p-h
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Diagramma p-h R-134