Lezione n.3 (Corso di termodinamica)
Il Primo principio della termodinamica
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Indice
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Equazioni di bilancio
Portata
Bilancio di massa
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
Σ $ entrata + $ generata =
Σ $ 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
=
Δm acc +
me1
∑m
u
mu1
mgen = 0
me2
mu2
mdis = 0
me3
mu3
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Portata di un fluido
Δm
A
wΔθ
Portata massica
Δ m = ρ A w Δθ
[kg ]
Δm
m& = lim
=ρ Aw
Δθ → 0 Δθ
Portata volumetrica
V& = A w = m& ρ
[kg s]
[m s]
3
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, …
E
t
= U
+ E
c
+ E
p
+ E
e le
+ ...
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 Æ Energia termica
Energia meccanica Æ Energia elettrica
Energia termica Æ Energia meccanica
…
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
[J ]
Q
&
Q = lim
Δθ → 0 Δ θ
[W ]
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Flusso di energia:
Modo Lavoro
lavoro
spostamento
Energia trasferita tra due
sistemi per una causa non
riconducibile
ad
una
differenza di temperatura
L
1 kg
[J ]
L
&
L = lim
Δθ → 0 Δ θ
[W ]
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
Lp= forza·spostamento
pex
dz
= pA ⋅Δx
= pΔ V
[J ]
gas
A
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
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
+ ΔE
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Primo principio per sistemi chiusi
indicando:
L = ∑ Lu − ∑ Li (lavoro netto uscente)
Q = ∑ Qi − ∑ Qu (calore netto entrante)
e ponendo:
(
)
Δ w2 2 ≅ 0; g Δz ≅ 0
e quindi:
ΔE = ΔU
Q−L = Δ U
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
Primo principio per sistemi chiusi
(forma differenziale)
dU = δ Q − δ L
du = δ q − δ l
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
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?
ΔU ferro + ΔU 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
Modulo di Termodinamica
Lezione 3 Primo Principio
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
