Lezione N°2
Introduzione alla Termodinamica:
terminologia
Modulo di Fisica Tecnica
Lezione 2 Terminologia
Termodinamica
La termodinamica è la scienza che studia le trasformazioni subite da un
sistema (ovvero le variazioni delle proprietà fisiche) a seguito di un
trasferimento di energia e/o di massa.
La parola deriva dal greco antico thermos (calore) e dynamis (movimento).
Lo studio della termodinamica sottende quindi lo studio della grandezza
energia, ἐνέργεια (energheia). Un concetto di uso quotidiano ma di cui
facciamo fatica a trovare una definizione soddisfacente. Generalmente si
definisce energia la capacità di un sistema a compiere lavoro, ma come
vedremo nel seguito di questo corso la comprensione di questa proprietà
termodinamica presuppone l’acquisizione dei principi fondamentali della
termodinamica.
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Termodinamica
Galileo Galilei
Evangelista Torricelli
Robert Boyle
1564-1642
1608-1647
1627-1691
Thomas Savery
Thomas Newcomen
James Watt
1650-1715
1663-1729
1736-1819
Sadi-Nicolas-Leonard Carnot
Benoit-Paul-Emile Clayperon
Julius Robert Mayer
1796 - 1832
1799 – 1864
1814 - 1878
James Prescott Joule
William Thomson Kelvin
Rudolf Julius Clausius
1818 – 1889
1824 - 1907
1822 – 1888
Ludwig Eduard Boltzmann
James Clerk Maxwell
Albert Einstein
1844 – 1906
1831 – 1879
1879 – 1955
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Lezione 2 Terminologia
I primi studi sulla termodinamica sono alquanto recenti nella storia della scienza, infatti solo con Galileo Galilei,
verso la fine del 1500 viene costruito uno dei primi termometri (il termoscopio) che consente la misura della
temperatura e del flusso di calore. Evangelista Torricelli perfezionerà successivamente gli studi delle proprietà
termodinamiche costruendo il barometro per misurare la pressione atmosferica. A metà del 1600 Robert Boyle
grazie a questi strumenti di misura formula la legge sui gas che porta il suo nome.
Gli ulteriori importanti passi della termodinamica non sono però il frutto di scienziati come Denis Papin ma dei
primi tecnologi dilettanti come Thomas Savery che alla fine del 700 trasformò la pentola a pressione di Papin
nella prima macchina a vapore, perfezionata indipendentemente e quasi contemporaneamente da Thomas
Newcomen (fabbro e commerciante di utensili di ferro). Questa macchina, costruita con successo in Inghilterra
per circa sessant’anni, aveva però uno scadente rendimento. Il geniale James Watt separarò le azioni di
raffreddamento e di riscaldamento dell’acqua mettendo a punto il più importante brevetto dell’epoca.
Fino alla fine del 1700 il calore veniva erroneamente inteso come una “sostanza“ in grado di diffondersi
(denominata “calorico”) che permeava ed attraversava tutti i corpi, quando Benjamin Thompson pose in dubbio
questa teoria. Successivamente Fourier postulò che la quantità di calore che attraversa un superficie in un certo
tempo risulta funzione del gradiente di temperatura.
Nel 1824 Sadì Carnot elabora la prima formulazione del 2° Principio della Termodinamica che viene rielaborata
intorno alla metà dell’800 da Clausius. Il passaggio di calore da una sorgente calda ad una fredda non comporta
però una perdita di energia, come pensava Carnot , ma una degradazione. Successivamente anche Lord Kelvin
rielabora il principio di Carnot affermando che risulta impossibile realizzare una trasformazione il cui unico
risultato è quello di assorbire calore da una sola sorgente e di riuscire a trasformarlo tutto in lavoro. Clausius
infine concentrò la sua attenzione sulla quantificazione dell'irreversibilità dei fenomeni e propose una funzione di
stato entropia che misura l’irreversibilità dei fenomeni.
Nel 1847 Joule e Mayer stabiliscono l'equivalenza tra calore e lavoro ed Helmholtz formula il principio di
conservazione dell'energia termomeccanica (1° Principio della Termodinamica). Successivamente Kelvin afferma
che l'energia si conserva (come stabilito dal 1° principio) ma anche che si degrada (in conformità al 2° Principio) e
definisce la scala assoluta di temperature. Il principio di conservazione si andrà sempre più ampliando fino a
diventare uno dei pilastri della fisica moderna sebbene sia stato successivamente rivisto ed ampliato da Einstein.
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Lezione 2 Terminologia
Terminologia
Sistema e ambiente
Vincoli di un sistema
Massa e volume di controllo
Proprietà termodinamiche
Macroscopico e microscopico
Coordinate termodinamiche (Proprietà intensive ed estensive)
Energia, calore e lavoro
Temperatura e pressione
Stato termodinamico ed equazioni di stato
Sistemi semplici (sostanza pura, fasi, ..)
Trasformazioni termodinamiche
Equilibrio Termodinamico
(stabile, instabile e metastabile)
Processi e trasformazioni quasi statiche
(Trasformazioni isoterme, isocore, isobare, …)
Termodinamica classica e del continuo
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Lezione 2 Terminologia
Sistema e ambiente
Superficie di controllo
S.C.
Sistema
Ambiente
La superficie reale o
immaginaria che separa il
sistema dall’ambiente è la
superficie di controllo.
Il sistema è la quantità di
materia o la regione di
spazio oggetto di studio.
Tutto ciò che è
esterno al sistema
costituisce l’ambiente.
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Lezione 2 Terminologia
Esempi di sistemi
Thermos
Individuo
Aula
Navicella spaziale
Macchina termica
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Lezione 2 Terminologia
Vincoli di un sistema
min
Chiuso - Aperto
mout
Pareti rigide e fisse - Pareti mobili
Adiabatico - Diatermano
mk
Qk
Isolato -Non isolato
Lk
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Massa e volume di controllo
Massa di controllo
La superficie di controllo del sistema segue lo spostamento della massa di controllo
Calore
M.C.
Calore
M.C.
Lavoro
Lavoro
M.C.
M.C.
M.C.
M.C.
Volume di controllo
La superficie di controllo del sistema è fissa nello spazio e non segue i flussi di massa
entranti ed uscenti:
V.C.
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Macroscopico e microscopico
Approccio microscopico
1 mole = 6,02·1023 particelle elementari
Approccio macroscopico
Sistema come continuo
Coordinate termodinamiche come medie statistiche (proprietà termodinamiche)
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Lezione 2 Terminologia
Proprietà termodinamiche
Una proprietà di stato
La proprietà è qualunque
Una proprietà di stato
dipende solo dalle
dipende solo dalle altre
condizioni in cui il sistema
grandezza caratteristica
proprietà di stato
si trova e non dal modo in
cui esso lo ha raggiunto
del sistema.
intensiva
estensiva
il valore è
indipendente
dall’estensione del
sistema.
il valore è
dipendente
dall’estensione del
sistema.
pressione, temperatura,
conducibilità termica, …
massa, , volume,
energia, entropia,..
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Lezione 2 Terminologia
Proprietà specifiche
proprietà estensiva
massa
proprietà specifica
volume specifico,
energia specifica,
entropia specifica, …
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Temperatura e pressione
Pressione termodinamica e empirica
Temperatura termodinamica e empirica
Temperatura
Pressione relativa
Pressione
Pressione atmosferica
Pressione
differenziale
293.15 Kelvin = 20 °Celsius
273.15 Kelvin = 0 °Celsius
Pressione assoluta
Zero assoluto
0 Kelvin = -273.15 °Celsius
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Lezione 2 Terminologia
Energia interna e flussi di
energia (calore e lavoro)
Definizione
Proprietà (conservazione)
Forme (qualità dell’Energia)
Flussi (modo calore e lavoro)
1 kg
1 kg
1 kg
T
P=mg
1 kg
Calore
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Lezione 2 Terminologia
Stato termodinamico ed
equazioni di stato
Lo stato termodinamico di un sistema è definito
dall’insieme dei valori delle N proprietà termodinamiche
Per definire univocamente lo stato termodinamico sono
necessarie solo un numero limitato M (M<N) di proprietà
indipendenti.
E’ possibile dimostrare che il numero M di proprietà
indipendenti è pari al numero di gradi di libertà del
sistema
Le restanti proprietà termodinamiche (N-M) possono
essere ricavate dalle M assegnate sulla base di equazioni
costitutive anche definite equazioni di stato
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Lezione 2 Terminologia
Sistema semplice p,v,T
Un sistema costituito da una sostanza pura il cui stato
intensivo è definito da due proprietà interne intensive
indipendenti è un sistema semplice.
Qualora queste due proprietà possono essere scelte tra
la pressione, la temperatura e il volume specifico il
sistema viene definito sistema semplice comprimibile o
p,v,T
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Lezione 2 Terminologia
Equilibrio termodinamico
Un sistema si dice in equilibrio termodinamico se
le sue proprietà restano costanti nel tempo.
L’equilibrio può essere stabile, instabile e
metastabile.
Un sistema si dice stabile se per essere
modificato si deve necessariamente modificare
anche il mondo esterno. Inoltre se perturbato in
modo infinitesimo e finito, torna nel medesimo
stato iniziale.
Uno stato instabile può cambiare in modo
radicale anche a fronte di una perturbazione
infinitesima.
Lo stato di equilibrio metastabile è caratterizzato
da una stabilità relativa. Ovvero può subire
perturbazioni infinitesime senza modificarsi, ma
se la perturbazione è finita allora muta portandosi
in un'altro stato.
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Lezione 2 Terminologia
Trasformazioni termodinamiche
Si
definisce
processo
o
trasformazione
termodinamica
una variazione dello stato
termodinamico di un sistema
Una trasformazione si definisce
quasi statica quando essa
avviene
seguendo
una
successione di stati di equilibrio
(tempo di rilassamento)
p
Isobara
isocora
V
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Lezione 2 Terminologia
Caratteristiche delle proprietà di stato
Condizione necessaria e sufficiente affinchè una generica
proprietà sia una funzione di stato è che soddisfi la seguente
condizione:
L’integrale di una funzione di stato tra due generici
punti A, B non dipende dal percorso della
trasformazione
Corollario 1 – L’integrale di una funzione di stato lungo
un generico percorso chiuso è nullo.
Corollario 2 – In un sistema bivariante (e.g. sistema
p,v,T), date due generiche proprietà di stato x, y
indipendenti ed una generica proprietà z=f(x,y), la
forma differenziale di z:
è sempre un differenziale esatto, ovvero:
y
2
a
b
1
x
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Lezione 2 Terminologia
Termodinamica classica
Si occupa dei sistemi chiusi in condizioni
termodinamico
Le trasformazioni sono quasi statiche e
termodinamiche intensive, non dipendono
ma sono uniformi nel sistema P(q)
Ad
es.
sistema
pistone-cilindro
compressione, …)
di equilibrio
le proprietà
dallo spazio,
(espansione,
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Lezione 2 Terminologia
Termodinamica del continuo
Si occupa di sistemi chiusi o aperti che possono trattarsi
come un continuo materiale P(x,y,z,q).
L’ipotesi di fondo si basa sull’equilibrio locale.
Ad es. una trasformazione adiabatica in un condotto
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Lezione 2 Terminologia
Riepilogo
In definitiva … che cosa è la termodinamica e di cosa ci
occuperemo in questo corso?
Quali sono le possibili applicazioni pratiche delle nozioni
acquisite?
