II PRINCIPIO DELLA TEMODINAMICA Trasformazioni reversibili e irreversibili Si definisce REVERSIBILE una trasformazione nella quale si può invertire il verso del processo variando di una quantità infinitesima le condizioni dell’ambiente circostante RIPRISTINANDO SIA PER IL SISTEMA CHE PER L’AMBIENTE LE CONDIZIONI INIZIALI Si definisce QUASI STATICA una trasformazione che avviene così lentamente da fare passare il sistema attraverso una successione di stati di equilibrio. Una trasformazione reversibile è quasi statica, ma non è vero il contrario: se per esempio SONO PRESENTI FORZE DI ATTRITO La trasformazione è IRREVERSIBILE Ogni trasformazione (isoterma, adiabatica, etc.) può essere reversibile o irreversibile a seconda di come viene attuata In una trasformazione irreversibile NON è possibile conoscere lo stato del sistema durante la trasformazione: è però possibile determinare la variazione che subiscono nel processo le variabili di stato SCEGLIENDO UN QUALSIASI (IL PIÙ CONVENIENTE) PERCORSO REVERSIBILE che colleghi gli stati iniziale e finale (sono stati di equilibrio) della trasformazione. - Ad esempio si può calcolare ΔEint - MACCHINE TERMICHE Si definisce MACCHINA TERMICA un apparato in grado di convertire energia CEDUTA AL SISTEMA sotto forma di CALORE in LAVORO effettuato DAL SISTEMA SULL’AMBIENTE. Può anche avvenire il processo opposto. Una macchina termica opera in modo CICLICO. Le trasformazioni possono essere reversibili o irreversibili. ESEMPIO (trasformazione su un gas ideale): Trasformazione 1 (ab). Si innalza la temperatura del gas; si aumenta la pressione (forza esercitata su un pistone) mantenendo il volume costante Trasformazione 2 (bc). Si innalza la temperatura del gas; si lascia espandere il gas a pressione costante temperatura del gas; si abbassa la pressione (si riduce la forza sul pistone) mantenendo il volume costante ¾ Nelle prime due trasformazioni il calore è assorbito (Q>0); è ceduto (Q<0) nelle altre due ¾ Il lavoro totale nel ciclo è positivo (ciclo percorso in verso orario) Trasformazione 3 (cd). Si riduce la Trasformazione 4 (da). Si riduce la temperatura del gas lasciando costante la pressione: il volume diminuisce Il calore totale ceduto dal sistema è: Qa = Q1 + Q2 (Qa > 0) Qc = Q3 + Q4 (Qc < 0) Il calore totale scambiato nel ciclo è (+ I principio della termodinamica): Q = Qa − Qc = L Il calore totale assorbito dal sistema è: Si definisce RENDIMENTO di un ciclo il rapporto η= L Qa = Qa − Qc Qa = 1− Qc Qa Qa > Qc II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA enunciato di KELVIN-PLANK IN UN PROCESSO CICLICO NON E’ POSSIBILE CONVERTIRE INTERAMENTE CALORE IN LAVORO SENZA CHE AVVENGANO VARIAZIONI NELL’AMBIENTE NON E’ POSSIBILE REALIZZARE UN CICLO CHE SOTTRAGGA CALORE AD UNA SORGENTE A TEMPERATURA UNIFORME E LO CONVERTA COMPLETAMENTE IN LAVORO η <1 macchina termica ideale NON ESISTE UNA MACCHINA TERMICA IDEALE macchina termica reale CICLI FRIGORIFERI Un frigorifero è essenzialmente una macchina termica che funziona in modo inverso: il calore QL è assorbito dalla sorgente a temperatura minore TL ; il calore QH è ceduto al serbatoio a temperatura maggiore TH Nel ciclo non c’è variazione di energia interna: L=Q L = Q = QH − QL QL > 0 QH < 0 QH > QL frigorifero ideale (a) e reale (b) Per un frigorifero può essere definito un COEFFICIENTE DI EFFICIENZA, K: K= (a) (b) QL L = QL QH − QL Caso ideale: L = 0, K =∞ II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA enunciato di CLAUSIUS NON E’ POSSIBILE UN PROCESSO CICLICO NEL QUALE IL CALORE FLUISCA SPONTANEAMENTE DA UN CORPO PIÙ FREDDO AD UNO PIÙ CALDO SENZA CHE NULL’ALTRO ACCADA K ≠∞ NON ESISTE UN FRIGORIFERO IDEALE EQUIVALENZA DEI DUE ENUNCIATI Supposto esista una macchina termica ideale (violazione dell’enunciato di Kelvin-Plank), se la si pone a contatto con un frigorifero anche questo deve essere ideale (violazione dell’enunciato di Clausius) QH = L Q'H = Q'L + L Q 'H − QH = Q' H − L = Q ' L La violazione dell’enunciato di Kelvin–Plank implica la violazione dell’enunciato di Clausius e viceversa, perciò i due enunciati sono equivalenti Il ciclo di Carnot (reversibile) La sostanza di lavoro è un gas ideale, posto in un contenitore cilindrico. Si usano due termostati alle temperature TH e TL. Il ciclo consiste di quattro trasformazioni reversibili: due isoterme e due adiabatiche QH QL TH TL Trasformazione 1 (ab): espansione isoterma Il cilindro è posto a contatto con il termostato a temperatura TH (a); si rimuove gradualmente peso sul pistone lasciando che il gas si espanda fino allo stato b Q1 = QH QH = L1 > 0 Il cilindro è isolato termicamente (b); si rimuove ancora gradualmente peso sul pistone lasciando che il gas si espanda fino allo stato c : viene raggiunta la temperatura minore ΔEint = − L2 < 0 Lavoro compiuto dal sistema (positivo) Trasformazione 3 (cd): compressione isoterma Il cilindro è posto a contatto con il termostato a temperatura minore (c); si aggiunge gradualmente peso sul pistone comprimendo il gas fino allo stato d Q3 = − QL ΔEint = 0 Trasformazione 2 (bc): espansione adiabatica Q2 = 0 Calore assorbito dal sistema Calore ceduto dal sistema ΔEint = 0 QL = L3 < 0 Trasformazione 4 (da): compressione adiabatica Il cilindro è isolato termicamente (d); si aggiunge ancora gradualmente peso sul pistone comprimendo il gas fino allo stato a : viene raggiunta di nuovo la temperatura maggiore Q4 = 0 ΔEint = − L4 > 0 Lavoro compiuto sul sistema (negativo) RENDIMENTO DEL CICLO DI CARNOT REVERSIBILE Vb QH = L1 = nRTH ln Va V QL = L3 = nRTL ln d Vc TH Vbγ −1 = TLVcγ −1 TH Vaγ −1 = TLVdγ −1 Qa = QH Qc = QL QH TH ln(Vb Va ) = QL TL ln(Vc Vd ) Vbγ −1 Vcγ −1 = γ −1 γ −1 Va Vd QH TH = QL TL Vb Vc = Va Vd TL TH − TL η = 1− = 1− = Qa TH TH Qc per il ciclo frigorifero: K= Il rendimento di una macchina di Carnot reversibile dipende solo dalle due temperature fra le quali opera TL TH − TL Altri cicli tecnici Ciclo di Stirling espansione isoterma reversibile (T2) isocora reversibile (da T2 a T1< T2) compressione isoterma reversibile (T1) isocora reversibile (da T1 a T2) Ciclo Otto (motore a scoppio) isobara OA (aspirazione) adiabatica reversibile (compressione) isocora reversibile (accensione e combustione) adiabatica reversibile (espansione) isocora reversibile (decompressione) isobara AO (scarico) Ciclo Diesel (motore Diesel) isobara OA (aspirazione) adiabatica reversibile (compressione) isobara reversibile (iniezione e combustione) adiabatica reversibile (espansione) isocora reversibile (decompressione) isobara AO (scarico) TEOREMA DI CARNOT Tutte le macchine reversibili che lavorano fra due sole sorgenti alle temperature TH e TL hanno lo stesso rendimento (= a quello della macchina di Carnot reversibile); qualsiasi altra macchina che lavori fra le stesse sorgenti non può avere rendimento maggiore. Il risultato è indipendente dal particolare sistema che compie il ciclo. Si può dimostrare che il teorema di Carnot è conseguenza del II principio della termodinamica: se si viola il teorema di Carnot si viola anche il II principio della termodinamica se η >η' L QH > L Q'H L = QH − QL = Q ' H − Q ' L Q'H − QH = Q' L − QL = Q Q'H − QH calore totale ceduto Q'L − QL calore totale assorbito Q>0 ! In particolare una macchina irreversibile che lavora fra le due sorgenti alle temperature TH e TL ha rendimento minore della macchina reversibile di Carnot TEOREMA DI CLAUSIUS ηirrev Qc Qc TL − ≤− Qa TH TL = 1− ≤ 1− Qa TH Qc TL ≥ Qa − TH il segno = vale per le trasformazioni reversibili Qc TL + Qa TH ≤0 n Qi ∑1 T ≤ 0 i oppure Qc TL ≥ Qa TH Qc < 0 Qa > 0 ∫ δQ T ≤0 T è la temperatura della sorgente con cui il sistema scambia calore: se il processo è reversibile coincide con la temperatura del sistema che compie il ciclo SCALA TERMODINAMICA DELLA TEMPERATURA Il rendimento massimo di una macchina reversibile operante fra due sole temperature è il rendimento della macchina di Carnot, che dipende solo dalle temperature di lavoro: il rendimento di un ciclo di Carnot quindi NON DIPENDE DALLA SOSTANZA DI LAVORO QL TL = TH QH Si definisce una scala delle temperature, la SCALA TERMODINAMICA; si fissa per tale scala la temperatura al PUNTO TRIPLO al valore: Il termometro è costituito da una macchina di Carnot reversibile che opera fra la temperatura da misurare e quella del punto triplo Q θ = θ tr Qtr θ tr = 273.16 K θ = 273.16 Q Qtr NELLA SCALA TERMODINAMICA Q HA LA FUNZIONE DI PROPRIETA’ TERMOMETRICA LA SCALA TERMODINAMICA COINCIDE CON LA SCALA DEL GAS IDEALE (KELVIN) SI TRATTA DI UNA DEFINIZIONE ASSOLUTA DELLA TEMPERATURA RENDIMENTI MASSIMI TEORICI TL TH − TL = 1− = η = 1− Qa TH TH Qc QF QF TF K= = = W QC − QF TC − TF Per una qualsiasi macchina termica reversibile Per una qualsiasi macchina frigorifera reversibile ENTROPIA Qa TH = Qc TL Qa e Qc hanno segni opposti: tralasciando i valori assoluti Ä Qa Qc + =0 TH TL Un ciclo reversibile è sempre approssimabile con un insieme di cicli di Carnot: la somma algebrica del calore totale scambiato e quella del lavoro compiuto in ognuno dei cicli di Carnot così individuati sono equivalenti rispettivamente a calore totale scambiato e lavoro compiuto nel ciclo determinato dalla linea frastagliata che approssima il ciclo reale, formata da adiabatiche ed isoterme. Il ciclo reale può essere approssimato sempre meglio da un numero via via più elevato di cicli di Carnot. Q ∑T =0 ∫ δQ T =0 (δQ non è un differenziale esatto = non esiste una funzione di cui δQ sia il differenziale. δQ indica una quantità molto piccola) Se l’integrale di una funzione esteso ad un cammino chiuso è nullo è possibile definire una grandezza che dipende solo dallo stato del sistema e non dal particolare modo con cui lo stato è raggiunto: la funzione è allora una VARIABILE DI STATO (processi reversibili). E’ una variabile additiva. δQ è allora il differenziale esatto di una variabile di stato T dS = δQ la nuova variabile di stato è definita ENTROPIA nel SI l’entropia si misura in J/K T ∫ dS = 0 b b ∫ dS = ∫ dS a a percorso 1 percorso 2 b a a b b b a a ∫ dS + ∫ dS = 0 ∫ dS − ∫ dS = 0 percorso 1 percorso 2 percorso 1 percorso 2 b b a a ΔS = Sb − S a = ∫ dS = ∫ δQ T per qualsiasi trasformazione reversibile Considerando una trasformazione reversibile di un gas ideale: δQ = dEint + δL = nCV dT + pdV nRT = nCV dT + dV V quindi: 1 nRT δQ = (nCV dT + dV ) V T T dT dV = nCV + nR V T dS = Vb δQ dT dV Tb Sb − S a = ΔS = ∫ = nCV ∫ + nR ∫ = nCV ln + nR ln T T V Ta Va Casi particolari: isoterma reversibile ΔS = ∫ δQ 1 Q = ∫ δQ = T T T δQ adiabatica reversibile ΔS = ∫ trasformazione ciclica ΔS = 0 T = 0 (δQ = 0) Nel caso di trasformazioni irreversibili è possibile calcolare la variazione di entropia nel processo individuando una qualsiasi TRASFORMAZIONE REVERSIBILE fra gli stessi stati iniziale e finale Esempio: ESPANSIONE LIBERA DI UN GAS PERFETTO Si può scegliere una isoterma per il calcolo di ΔS: b ΔS = Sb − S a = ∫ a δQ b 1 Q L = ∫ δQ = = T T a T T VB L ΔS = = nR ln VA T ΔEint = 0 = nR ln 2 (avendo posto : VB = 2VA ) Esempio: SCAMBIO DI CALORE FRA DUE CORPI trasformazione reversibile a pressione costante Sb − S a = ∫ T V δQ = nCV ln b + nR ln b T Ta Va Tb Tb Tb Tb = nCV ln + nR ln = nC p ln = mc p ln Ta Ta Ta Ta Te ΔS1 = m1c1ln > 0 T1 Te ΔS 2 = m2 c2 ln < 0 T2 Durante una transizione di fase la temperatura si mantiene costante per il calcolo dell’entropia si può scegliere una trasformazione isoterma: ΔS3 = m fus λ fus T fus >0 ΔS 4 = − msolid λsolid Tsolid <0 A partire dal concetto di entropia è possibile enunciare il II principio della termodinamica in forma più generale: IN QUALSIASI TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA CHE EVOLVA FRA DUE STATI DI EQUILIBRIO L’ENTROPIA DELL’UNIVERSO (SISTEMA + AMBIENTE) PUÒ SOLO RESTARE COSTANTE O AUMENTARE • L’entropia rimane costante nelle TRASFORMAZIONI REVERSIBILI; • l’entropia aumenta in quelle IRREVERSIBILI. In particolare nel caso di una trasformazione ciclica: • se il ciclo è reversibile: ΔSsist = 0 (ciclo) ⇒ ΔS univ = ΔS amb = 0 • se il ciclo è irreversibile: ΔSsist = 0 (ciclo) ⇒ ΔS univ = ΔS amb > 0 Il calore non può fluire da un corpo freddo ad uno caldo −Q ΔS2 = T2 ΔSuniv = −Q T2 Q ΔS1 = T1 ⎛1 1⎞ + = − Q ⎜ − ⎟ < 0!! T1 ⎝ T2 T1 ⎠ Q Ricordando per un gas ideale in espansione libera: ΔS > 0 L V ΔS = = nR ln B T VA VB > V A Il sistema è isolato La trasformazione è irreversibile IL GAS PUÒ SOLO ESPANDERSI ENTROPIA E PROBABILITÁ 9Lo stato microscopico del sistema (MICROSTATO) è noto quando sono noti ad ogni istante di tempo posizione e velocità di ogni parte del sistema (J DINAMICA MOLECOLARE) 9Ad un dato stato macroscopico (MACROSTATO) possono corrispondere diversi MICROSTATI (J TERMODINAMICA) La MECCANICA STATISTICA prevede con quale probabilità può 9realizzarsi un determinato macrostato: quello a cui corrisponde il numero di microstati più elevato Un sistema tende spontaneamente al macrostato più probabile Esempio: volendo distribuire in modo casuale n particelle in 2 recipienti quale è la probabilità che m siano nel primo e (n-m) nel secondo? ⎛n⎞ n! Wn = ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎝ m ⎠ m!(n − m)! STATO PIÚ PROBABILE = STATO DI EQUILIBRIO: É CARATTERIZZATO DAL VALORE MASSIMO DELL’ENTROPIA DEL SISTEMA w è il massimo numero di microstati che corrispondono ad un dato macrostato = probabilità termodinamica S = k B lnw L’entropia è additiva (w=w1·w2) IMPOSSIBILE ¨ ESTREMAMENTE IMPROBABILE Gli urti tendono a cancellare le differenze: un sistema evolve in modo spontaneo verso stati in cui le grandezze p e T sono uniformi. Questo equivale a realizzare il numero massimo di microstati corrispondenti allo stesso macrostato. Da questo discende l’irreversibilità meccanica e termica. III PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA È strettamente legato al secondo principio, e in alcuni casi è considerato come una conseguenza di quest‘ultimo. Può essere enunciato dicendo che è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di trasformazioni e fornisce una precisa definizione di ENTROPIA: l'entropia si può pensare come la misura del grado di disordine di un sistema. Il terzo principio afferma che l'entropia, cioè il disordine, di un sistema isolato non può diminuire. Si può anche affermare che quando un sistema isolato raggiunge una configurazione di massima entropia non può subire trasformazioni: ha raggiunto quindi una condizione di equilibrio. La variazione di entropia associata ad una trasformazione reversibile di un sistema tende a zero al tendere a zero della temperatura termodinamica assoluta perciò: (a) Per una isoterma reversibile: ΔS ⎯T⎯ ⎯→ 0 →0 ⇒ TΔS = Q → 0 Per TJ0 K diventa sempre più difficile sottrarre calore ad un corpo: con un numero finito di processi non è possibile raggiungere T=0 K (b) 1 ⎛ dQ ⎞ 1 ⎛ dS ⎞ 1 ⎛ dS ⎞ C= ⎜ ⎯→ 0 ⎟ = T⎜ ⎟= ⎜ ⎟ ⎯T⎯ →0 n ⎝ dT ⎠ n ⎝ dT ⎠ n ⎝ dlnT ⎠