Il primo principio della termodinamica

Lezione n.3 (Corso di termodinamica)
Il Primo principio della termodinamica
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Indice
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
Equazioni di bilancio
Bilancio di massa
Portata
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
 €entrata + €generata =
 €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

macc 
m
u
mu1
mgen  0
mdis  0
me2
me3
mu2
mu3
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Portata di un fluido
Portata massica
m   Aw  kg 
A
m
m  lim
  Aw  kg s
 0 
w
Portata volumetrica
V  Aw  m   m3 s 
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, …
Etot  U  Ec  E p  Eele  ...
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  Energia termica
 Energia meccanica  Energia elettrica
 Energia termica  Energia meccanica
 …
T
1 kg
1 kg
1 kg
P=m
g
1 kg
Calore
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  joule
Q
Q  lim
 watt 
 0 
Modulo di Termodinamica
lavoro
Lezione 3 Primo Principio
Flusso di energia:
Modo Lavoro
Energia trasferita tra due sistemi
per una causa non riconducibile ad
una differenza di temperatura
L  joule
1 kg
Spostamento
L
lim

 0
L
 watt 

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
Lavoro di variazione di volume
Lavoro che l’ambiente compie su un
sistema chiuso (o viceversa) per
spostare una sua parete
pex
Lp= forza·spostamento
dz
 pA  x
 pV
 joule
gas
A
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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
 E
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Lezione 3 Primo Principio
Primo principio per sistemi chiusi
indicando:
L   Lu   Li (lavoro netto uscente)
Q   Qi   Qu (calore netto entrante)
e ponendo:


 w2 2  0; g z  0
e quindi:
E  U
QL   U
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Primo principio per sistemi chiusi
(forma differenziale)
dU   Q   L
du   q   l
Modulo di Termodinamica
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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.
Modulo di Termodinamica
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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?
U ferro  U 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