Termodinamica 2 Il secondo principio I fondamenti

Termodinamica 2
Il secondo principio
I fondamenti storici
Nessuna legge scientifica ha contribuito ad
emancipare la mente umana più del secondo principio
della Termodinamica
Peter Atkins
Ignorare il secondo principio della Termodinamica
equivale a non avere mai letto Shakespeare
C.P. Snow
L’importanza del II Principio sta nel fatto che fornisce la base per
comprendere come mai possano verificarsi i cambiamenti
Spiega perchè funzionano:
I motori
Avvengano le reazioni chimiche
Ma è anche la base per capire le conseguenze più raffinate di quelle
reazioni, ossia gli atti di creatività letteraria, artistica e musicale.
Nelle lezioni precedenti abbiamo introdotto due parametri:
T e U. Il secondo principio implica l’esistenza di un terzo
parametro S = Entropia.
U = quantità di E del sistema
S = misura la qualità di E
Cimitero di Vienna
NB: la Scienza trae il suo potere dall’astrazione.
Una proprietà della natura si può scoprire con studi
dettagliati di un sistema concreto, ma l’ambito delle sue
applicazioni si amplia enormemente se le osservazioni
sono espresse in termini astratti.
Il II principio, scoperto studiando le macchine a
vapore, in termini astratti si applica a qualsiasi
trasformazione. La macchina a vapore riassume in se
la natura del cambiamento.
Ogni nostra attività, dal metabolismo digestivo alla
creazione artistica, si ritrova in essenza nel
funzionamento delle macchine a vapore.
Le macchine termiche
Macchine a vapore
Sorgente calda  fornisce energia a una caldaia vapore
attraverso valvole e tubi  muove pistoni e/o turbine
Se la sorgente calda comunica con un serbatoio freddo
(difficile da realizzare) comunemente l’ambiente, questo
è il modo con cui si trasforma energia termica in lavoro.
Le prime macchine termiche (a vapore) furono realizzate
in Inghilterra all’inizio del 1800 durante il processo di
industrializzazione (rivoluzione industriale).
La chiusura
delle terre
Sviluppo dei trasporti
Newcomen’s
1712 Engine
Watt’s
1765 Engine
Meccanizzazione
Water frame Richard Arkwright 1768
Il sistema
di
fabbrica
Divisione del lavoro Lavoro ripetitivo
Orario di 12-14 ore
Trevithick's steam locomotive as an attraction for
paying customers in London's Euston Square;
watercolour by Rowlandson, 1809
Napoleone Bonaparte
Ajaccio, 15 agosto 1769
Sant'Elena, 5 maggio 1821
Austerlitz, 2 dicembre 1805, 15.000 morti
Ciò che si legge in rete:
“Regarded as Napoleon Bonaparte's greatest victory,
Austerlitz was a sublime trap that destroyed the
armies of his enemies Russia and Austria”.
Sei re e un imperatore
Il Piemonte di Amedeo Avogadro
• Vittorio Amedeo III, 1773 – 1796
• Carlo Emanuele IV, 1796 – 1802
• Napoleone Bonaparte
• Vittorio Emanuele I, 1815 – 1821
• Carlo Felice, 1821-1831
• Carlo Alberto, 1831-1849
• Vittorio Emanuele II, 1849–1878
Amedeo Avogadro
e i moti del 1821
• Amedeo Avogadro
(1776-1856),viene coinvolto
nella dura repressione
seguita ai tumulti del 1821.
• Pur non avendo
partecipato direttamente ai
moti è rimosso dalla sua
cattedra torinese di
Fisica sublime. Sarà
reintegrato solo nel 1834.
Avogadro e i ‘privilegi’
• 1826: la navigazione a
vapore sul Lago Maggiore
I moti del 1831
• Faustino Malaguti (1802-1878),
farmacista, partecipa
all'insurrezione a Bologna nel
1831. Nel Governo provvisorio di
Bologna assume l'incarico di
segretario generale della polizia.
• Soffocata l'insurrezione, viene
arrestato e dopo quattro mesi di
prigionia va esule a Parigi.
• Naturalizzatosi francese, nel
1842 ebbe la cattedra di chimica
a Rennes. Mantenne costanti
contatti con i patrioti italiani.
Macedonio Melloni
1798-1854
1824 cattedra di fisica
teorico-pratica a Parma
1830-1831
Partecipa ai moti a Parma.
Esiliato due volte!
1838 A Napoli, Direttore del
Conservatorio D’Arti e
Mestieri
Una premessa alla termodinamica
La misura della temperatura
Gabriel Fahrenheit (1724) In questa scala, il punto di
congelamento dell'acqua è di 32 gradi Fahrenheit,
mentre il punto di ebollizione si trova a 212
gradi, suddividendo così i due estremi in 180 gradi
Anders Celsius (1742) La scala Celsius oggi utilizzata fissa
il punto di congelamento dell'acqua a 0 °C e il punto di
ebollizione a 100 °C in condizioni standard di pressione. In
origine invece la scala fu ideata da Celsius perché il
punto di ebollizione dell'acqua fosse a 0 °C, e il punto di
congelamento a 100 °C; solo dopo la sua morte, nel 1744, la
scala fu modificata in quella oggi di uso comune, ovvero
invertita
William Thomson, (poi Lord Kelvin) 1868. Egli propose per
primo una misura della temperatura partendo dalla
considerazione termodinamica che esiste una temperatura
minima assoluta, lo zero assoluto
Germain Hess
1802-1850
1840: "Quando si ottiene un
composto, il calore sviluppato
è costante, sia che il
composto si formi
direttamente sia che si
abbia indirettamente e in
ripetuti passaggi"
Julius Robert Mayer
1814-1878
• La prima ampia discussione della
conservazione della ‘forza’ fu
pubblicata su un giornale 'chimico' per
eccellenza, gli Annalen editi da Liebig
e Wöler. Una prima versione
dell'articolo di Mayer (era stata
respinta dagli Annalen di Poggendorf
(che per altro pubblicavano anche
ricerche di argomento chimico); sono
noti i fondamenti filosofici della
trattazione del medico tedesco. Nella
metafisica di Mayer la forza occupava
un posto intermedio fra la materia e lo
spirito Geist, mente e anima), ma tutte
e tre le categorie dell'essere erano per
loro natura indistruttibili, e quindi si
conservavano.
James Joule
1818-1889
Hermann Helmholtz
1821-1894
• 1847: conservazione
dell’energia
Sadi Carnot
1796-1832
L’evoluzione delle
«motrici a vapore»
Sadi Carnot analizza i limiti fisici delle macchine a
vapore. Convinto dell’esistenza del calorico pensava,
come tutti che l’efficienza dipendesse dal «fluido»
usato (aria invece di acqua, alte P)
Nonostante questi errori egli capì che l’efficienza
dipende dallo scambio di calore tra caldaia e
serbatoio (freddo), da ∆ T.
Efficienza macchina termica = Lavoro compiuto/Calore
assorbito = €.
Se Tc = T caldaia e Tf = T serbatoio(ambiente) € = 1 se
tutto il calore si trasforma in lavoro.
Quindi € max raggiungibile = 1 – (Tf/Tc)
Esempio: Turbina per generare energia elettrica
Tc = 300 C° (573K) caldaia
Tf = 20 C° (293K) ambiente
€ max = 1 – (293/573) = 0.49 solo il 49% del calore
diventa energia elettrica
Per avere € = 1 deve essere Tc = ∞, oppure Tf = 0
entrambe valori impossibili in natura
A causa dei pregiudizi degli ingenieri di allora Carnot non
venne seguito. [destino che spesso la società, immersa in
un limbo di idee, riserva al pensiero razionale]
In seguito William Thomson, poi Lord Kelvin, riconosce
l’importanza criciale della T dell’ambiente ed enunciò:
Secondo principio di Kelvin
È impossibile realizzare processi ciclici in cui il calore
fornito da una sorgente calda venga interamente
convertito in lavoro.
NB: le torri di raffreddamento di un reattore nucleare
sono più importanti dello stesso reattore !
Rudolf Clausius studiò il flusso di calore tra corpi a
diverse T, il passaggio da caldo a freddo fu definito
spontaneo = naturale = senza lavoro
1822
1888
In termodinamica spontaneo è diverso da rapido indica
solo una tendenza.
L’espansione di un gas è rapida.
La crescita di un diamante nella grafite è lenta
L’inverso NON è spontaneo
Enunciato di Clausius
Il calore può passare da un corpo a T più bassa a uno a T
più alta soltanto se ciò è accompagnato da qualche altro
cambiamento (ovvero compie lavoro)
I due enunciati (Kelvin e Clausius) coincidono, A è
priva di serbatoio freddo, voglio sfruttare A per fare
funzionare B
La violazione di uno dei due enunciati implica la
violazione dell’altro. Sono due osservazioni
fenomenologiche coincidenti del II principio.