Politecnico di Bari - Ingegneria II
Corso di Fisica Tecnica
Sistema termodinamico
Si definisce sistema la porzione di spazio che si desidera studiare. Il sistema viene individuato da
una superficie limite attraverso cui il sistema è in collegamento con il resto dell’universo.
La posizione della superficie limite influenza l’impostazione dello studio, le grandezze in gioco e
quindi i risultati ottenibili. La sua determinazione richiede esperienza per ottenere risultati utili e
soddisfacenti.
Un sistema termodinamico può essere aperto o chiuso secondo che attraverso la superficie limite
passi o meno della massa.
Viene detto adiabatico quando attraverso la superficie limite non può passare calore; viene detto
rigido quando attraverso la superficie limite non può passare lavoro.
Per studiare un sistema è necessario individuare un certo numero di grandezze atte a caratterizzarlo
ovvero a descriverne lo stato.
Queste grandezze, dette di stato, devono avere un valore ripetibile quando il sistema si pone nelle
stesse condizioni (stesso stato di equilibrio ovvero le grandezze non devono variare nel tempo e
nello spazio del sistema).
Queste grandezze possono essere intensive o estensive secondo che siano indipendenti o meno
dall’estensione del sistema. Tra le prima ci sono la pressione e la temperatura e tra le seconde il
volume e la superficie.
Equazione di stato
A temperatura costante per ogni gas si ha p⋅V=costante (legge di Boyle e Mariotte) mentre a
pressione costante si ha V = V0 ⋅(1 + α⋅t) e a volume costante p = p0⋅(1 + α⋅t) (legge di GayLussac).
Il valore di α è stato misurato sperimentalmente e, per bassi valori di pressione, esso risulta uguale
per tutti i gas e vale 0,003661 °C-1.
Prendendo due volumi uguali di gas a due temperature e pressioni diverse si ha:
1
simbolo
Massa
n°
+t
(*) aria senza CO2
p2 α 2
molecolare
atomi
=
1
p1
µ
+ t1
α
idrogeno H2
2
2
La relazione (1/α+t) ha dimensioni di una
ossigeno O2
2
32
temperatura, che indichiamo con T, e vale
azoto N2
2
28
(*)
(273,15 + t).
aria
29
Questa temperatura è chiamata temperatura ossido di carbonio CO
2
28
assoluta e si misura in K
anidride carbonica CO2
3
44
ammoniaca NH3
4
17
R J
metano CH4
4
16
R= 0
µ kg ⋅ K
dove R0 è la costante universale dei gas che vale 8314 J/(kmol⋅K)
µ è la massa molare del gas in questione, kg/kmol.
La relazione: p⋅v = R⋅T è chiamata equazione dei gas perfetti
1
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Capacità termica
Si chiama capacità termica di un corpo la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura
di un grado. Essa è una proprietà estensiva. La capacità termica dell’unità di massa (capacità
termica specifica) si chiama calore specifico. Di seguito si farà riferimento a quest’ultima
grandezza.
q
Il calore specifico, in base alla definizione, si esprime come: c = 1,2
t 2 − t1
Potere calorifico
Il rapporto tra la quantità di aria e di vapore di combustibile è chiamato rapporto stechiometrico.
L’aria secca è un miscuglio di gas con la seguente composizione, al livello del mare:
Componente
Simbolo
Ossigeno
Azoto
Argon
Anidride carbonica
Idrogeno
O2
N2
A
CO2
H2
% in
% in
volume massa
21
23,2
78
75,5
0,95
1,25
0,04
0,05
0,01
0,00
Il calore specifico dell’aria secca alla pressione atmosferica varia da 0,9965 kJ/(kg⋅K), a -40°C, a
1,022 kJ/(kg⋅K), a 60°C. Nei calcoli, dove si considera in genere aria a temperatura media, si può
usare il valore di 1,005 kJ/(kg⋅K).
Si definisce potere calorifico di una sostanza l’energia sviluppata dall’unità di massa del durante la
combustione.
Rapporto
Sostanza
Potere
ρ [kg/m3]
Stechiom.
calorifico
a 15 °C
[kJ/kg]
Metano
0,740
34.750
9,5
Benzina
0,730
43.540
15,5
Nella realtà questo non è possibile ottenere facilmente il rapporto stechiometrico: per far sì che il
combustibile bruci completamente si fornisce una quantità di aria superiore al rapporto
stechiometrico, che viene chiamata eccesso d’aria.
rendimento di combustione definito come rapporto tra il calore fornito ai fumi e quello ceduto dal
combustibile (potere calorifico):
potere calorifico − cessione di calore all' esterno
calore fornito
η bruc =
=
potere calorifico
poter calorifico
Principio zero della termodinamica
Dati tre sistemi termodinamici, A, B e C.
Se il sistema A è in equilibrio termico con il sistema B e il sistema C è in equilibrio termico con il
sistema B, allora il sistema A è in equilibrio termico con il sistema C.
2 - 1° principio
