1 Facoltà di Scienze dell’Università di Cagliari - Laurea in Fisica - aa 2016-2017 Insegnamento “COMPLEMENTI di TERMODINAMICA” Trasformazioni termodinamiche 1. Una macchina termica funziona con due serbatoi di calore, rispettivamente alle temperature di 400◦ C e 150◦ C. • Se Q è il calore assorbito dalla macchina, quanto vale il lavoro massimo Wmax che può fornire? 2. Una macchina di Carnot funziona tra le due temperature T0 e 4T0 . Siano Wm e Wb il lavoro compiuto da una mole di un gas monoatomico e biatomico, rispettivamente. • Calcolare il rapporto Wb /Wm . 3. Due corpi identici hanno energia interna data da U = N CT , dove C è una opportuna costante. I valori di C e di N sono identici nei due corpi. Le temperature iniziali dei due corspi siano T1 e T2 . Essi vengono usati come serbatoi di lavoro mediante un loro collegamento ad una macchina di Carnot e portandoli alla temperatura finale Tf . • Calcolare la temperatura finale Tf e il lavoro fornito. 4. Si consideri una macchina termica che lavora con un ciclo reversibile consistente in due processi a pressione costante (rispettivamente P1 e P2 ), collegati da due processi adiabatici. La sostanza con cui lavora la macchina sia un gas ideale monoatomico con capacità termica a pressione costante cP . • Calcolare l’efficienza della macchina in termini delle due pressioni P1 e P2 . • Determinare la temperatura massima e minima del gas durante il ciclo. • Dimostrare che una macchina termica che, funzionando tra le due suddette temperature, segue un ciclo di Carnot ha efficienza maggiore. 5. Un corpo di capacità termica a pressione cosatnte cP si trova inizialmente a temperatura Ti . Esso viene posto a contatto con un serbatoio di calore alla temperatura Tf . L’equilibrio tra il corpo e il corpo si stabilisce in condizioni di pressione costante. • Determinare la variazione totale di entropia nel processo che porta alla condizione di equilibrio. • Dimostrare che la variazione totale di entropia è sempre positiva, indipendentemente dal segno del rapporto (Tf − Ti )/Tf . Suggerimento: si assuma che |Tf − Ti |/Tf < 1. 6. Si consideri una mole di gas ideale soggetta ad una espansione isoterma reversibile dal volume V1 al volume 2V1 . • Calcolare la variazione di entropia del gas. • Calcolare la variazione di entropia dell’universo. Si ripeta l’esperimento i condizioni di espansione libera • Calcolare la variazione di entropia del gas. • Calcolare la variazione di entropia dell’universo. 7. Si consideri una barra di materiale conduttore termico. La sua lunghezza sia L, la sua sezione A, mentre la densità del materiale sia ρ e il suo calore specifico a pressione costante sia cP . Entro la barra è creata una distribuzione di temperatura non uniforme collegando i suoi estremi a due serbatoi di calore, rispettivamente alle temperature Tc e Tf con Tc > Tf . La barra viene ora scollegata dai due serbatoi, isolata termicamente e mantenuta a pressione costante. • Calcolare la variazione di entropia per il processo che riporta la barra all’equilibrio