Termologia
Termodinamica
1
Termodinamica: introduzione
termodinamica classica
usa un approccio MACROSCOPICO, secondo il quale la
materia è vista come un continuo, ignorandone la natura
particellare. Tiene conto di quello che i nostri sensi
possono rilevare delle proprietà e del comportamento
della materia, e fornisce un metodo diretto e semplice
per la risoluzione dei problemi ingegneristici
in realtà la materia è costituita da un numero
grandissimo di particelle, le molecole.
Descrivere il comportamento della materia dal
punto di vista MICROSCOPICO richiederebbe
la conoscenza del comportamento delle singole
molecole e ciò rende il problema assai più
complesso: l’unica possibilità è quella di
affidarsi alla statistica, che considera il
comportamento medio delle particelle
termodinamica
statistica
2
PROPRIETA’ FISICHE DI UN SISTEMA
La descrizione macroscopica di un sistema è fatta in termini di
PROPRIETA’ fisiche che possono essere, in linea di principio,
misurate con l’aiuto di appropriati strumenti di laboratorio
nome
massa
temperatura
volume
pressione
simbolo
m
T
unità di misura
kg
K
PROPRIETA’
V
p
m3
GRANDEZZA
DI STATO
Pa = N m-2
densità
energia
E
J
energia interna
U
J
Kg m-3
COORDINATA
TERMODINAMIC
A
Le particolari classi di fenomeni studiati non richiedono la conoscenza di
tutte le proprietà fisiche che caratterizzano il sistema termodinamico, bensì
ciascuna analisi richiederà un numero limitato, in genere piuttosto piccolo,
di proprietà legate alla particolare fenomenologia
3
Proprietà: classificazione
proprietà estensive
Si pensi di suddividere un sistema in un certo numero di
sottosistemi. Una proprietà è ESTENSIVA se il suo
valore per l’intero sistema è pari alla somma dei valori
relativi a tutti i sottosistemi che lo compongono
volume, massa, energia
proprietà intensive
Si supponga di far tendere ad un valore infinitesimo
l’estensione di un sistema. Le proprietà i cui valori non
tendono a zero sono dette INTENSIVE: il loro valore
non dipende dalla estensione del sistema
temperatura, pressione
4
Proprietà fisiche (segue)
Un semplice criterio è applicabile ad un sistema per stabilire quale
delle proprietà che lo caratterizzano è intensiva e quale estensiva.
Si suddivide il sistema in due parti uguali: ciascuna parte avrà le
stesse proprietà intensive di prima, e proprietà estensive dimezzate
p, T
m, V, E
p, T
0.5m,
0.5V,
0.5E
p, T
0.5m,
0.5V,
0.5E
5
Stato termodinamico ed equilibrio
La termodinamica tratta dei sistemi in stato di equilibrio. Si parla di stato
di equilibrio termodinamico se il risultato delle misure macroscopiche
eseguite sulle proprietà del sistema non muta nel tempo
equilibrio termodinamico
equilibrio termico
si ha quando la temperatura è la stessa in ogni punto del
sistema, cioè se il sistema non presenta gradienti di
temperatura che sono la causa del flusso termico
equilibrio meccanico
si ha quando in nessun punto vi sono variazioni di pressione nel
tempo
equilibrio chimico
si ha quando la composizione chimica del sistema non varia nel
tempo, cioè non si verificano reazioni chimiche
6
7
TEMPERATURA
La TEMPERATURA è una proprietà intensiva che può essere
direttamente misurata correlandone la variazione per un sistema
alla corrispondente variazione di una proprietà di un altro sistema
detto TERMOMETRO, il cui stato è fatto variare vincolando le
altre proprietà scelte come indipendenti
I sistema e il termometro debbono essere
all’equilibrio termico essendo separati da pareti
rigide e fisse ma non adiabatiche
Se la lettura di due sistemi è uguale si può dire che questi hanno la
stessa temperatura
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA
X1,Y1
X2,Y2
X3,Y3
parete adiabatica
parete conduttrice
se due sistemi sono in equilibrio
termico con un terzo sistema,
sono in equilibrio tra loro
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
EQUAZIONE DI STATO (segue)
18
EQUAZIONE DI STATO (segue)
19
20
21
22
23
24
25
26
Energia, calore, lavoro
energia
L’energia è una proprietà estensiva del
sistema. Può esistere in numerose forme:
energia termica, cinetica, potenziale, elettrica,
magnetica, chimica, nucleare
E’ utile classificare le varie forme
di energia che costituiscono
l’energia totale di un sistema in
due gruppi:
Sono quelle che un sistema possiede nel suo
forme
complesso, rispetto a un qualche sistema esterno
macroscopiche
di riferimento; sono legate al movimento e
all’influenza di alcuni fenomeni esterni come la
gravità, il magnetismo, l’elettricità e la tensione
superficiale
Sono quelle legate alla struttura
forme
molecolare del sistema e al
microscopiche grado di attività molecolare;
sono indipendenti dal sistema di ENERGIA
riferimento esterno
INTERNA, U
ENERGIA TOTALE, E
27
Energia, calore, lavoro
Il contenuto di energia di un sistema può essere variato secondo
tre differenti modalità:
SISTEMI
CHIUSI
CALORE
LAVORO
SISTEMI
APERTI
a seguito di
trasferimento di
massa
CALORE
Si parla di energia trasferita
come CALORE se la causa che
determina il flusso di energia è
la differenza di temperatura
all’interfaccia che separa il
sistema dall’esterno
LAVORO
Se il flusso di energia (escluso quello
legato al flusso di massa) avviene per
cause non riconducibili ad una
differenza di temperatura si parla di
modalità LAVORO
28
Energia, calore, lavoro
energia totale
energia interna
energia potenziale
energia cinetica
CALORE
LAVORO
sono tutte
forme di
energia
unità di
misura
[J]
energia totale
energia interna
Volume specifico
CALORE
LAVORO
sono
GRANDEZZE
DI SCAMBIO
energia potenziale
energia cinetica
sono
GRANDEZZE
DI STATO
29
30
31
32
33
34
Trasformazioni termodinamiche
35
36
37
Lavoro termodinamico
38
Osservazioni sperimentali
39
Lavoro e Calore
40
Convenzioni su calore e lavoro
41
PRIMO PRICIPIO DELLA TERMODINAMICA
42
PRIMO PRICIPIO DELLA TERMODINAMICA
43
Trasformazioni cicliche
44
Grafici di diverse trasformazioni
45
46
Trasformazioni per un gas perfetto
47
Trasformazioni per un gas perfetto
48
49
50
51
52
53
54
Diagramma di fase
55
56
Umidità relativa
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
Irraggiamento termico
81
82
83
LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
Concetti di base - Radiatori IR
I radiatori sono essenzialmente di due tipi:
- Radiatore termico:
la curva di distribuzione è di tipo continuo e
presenta un unico valore massimo.
- Radiatore selettivo:
la curva di distribuzione spettrale è di tipo
discontinuo e presenta n bande strette di
emissione caratterizzate da n picchi massimi in
funzione della concentrazione molecolare.
L’insieme delle sottobande rappresenta una
unica segnatura.
84
LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
Concetti di base -Caratterizzazione dei Radiatori IR
La caratterizzazione di un radiatore sarà effettuata facendo ricorso all’uso di un appropriato
riferimento
è il:
CORPOcheNERO
o BLACK BODY
Il Corpo nero è un corpo capace di assorbire
totalmente la radiazione incidente a
prescindere dalla sua lunghezza d’onda così
come descritto dalla legge di Planck
85
Termometria IR
le tecniche di misura invasive viste fin qui
non possono essere utilizzate quando:
occorre misurare corpi o ambienti a temperatura
SUPERIORE alla MAX di impiego dei sensori invasivi
occorre misurare la temperatura di corpi o ambienti
distanti o comunque INACCESSIBILI
occorre misurare la temperatura di corpi o ambienti
chimicamente AGGRESSIVI o RADIOATTIVI
in questi casi
l’emissione di
radiazione e.m.
radiazione
elettromagnetica
del CORPO NERO e
e
,n
e ,n , T I ,n,e , T
VARIABILE
TERMOMETRICA
,n , T
C1
5 e C2 T 1
LEGGE DI
PLANCK
W m2 m1
86
Irraggiamento a varie temperature
108
108
T=5800 K
T=5800 K
107
107
106
]
105
-1
m.
T=550 K
102
T=280 K
T=550 K
104
103
,n
103
10
[We
T=1100 K
104
T=1100 K
5
-2 m
.
-2
-1
e,n [W.m .m ]
106
maxT=2897.6 [m.K]
102
T=280 K
1
10
101
0.1
1
[m]
10
0
5
10
15
20
[m]
87
88
89
90
