DIMCM
LEZIONI DI TERMODINAMICA
Per allievi ingegneri meccanici
A.A. 2015 - 2016
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Note sulle Lezioni di TERMODINAMICA TECNICA
Queste note non sostituiscono i libri di testo indicati dal docente, in quanto alcune parti del programma del corso non sono inserite. Servono solo come orientamento allo studio per gli allievi ingegneri meccanici del corso di Termofluidodinamica
Essendo continuamente aggiOrnati, lo studente è pregato di scaricare sempre
l’ultima versione dal sito:http://people.unica.it/francescocambuli/
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Introduzione
La Termodinamica (thermos = calore, dynamis = forza) è la Scienza che
studia l'energia dei sistemi, l'evoluzione di questi e l'interazione con l'ambiente esterno che li circonda. I principi della Termodinamica, insieme alle
leggi della Meccanica dei fluidi e della Trasmissione del calore, costituiscono gli elementi fondamentali per l'analisi di molteplici fenomeni fisici ed
il progetto di numerosi sistemi e componenti ingegneristici.
Le prime osservazioni sperimentali che fornirono le basi per la formulazione delle leggi termodinamiche furono quelle relative ai sistemi termici
che utilizzavano combustibile fossile per la produzione di lavoro meccanico
( 1750). Fu proprio nello sforzo di migliorare il funzionamento e
l’efficienza di tali macchine termiche che i primi ricercatori cominciarono a
studiare con metodo scientifico le relazioni fondamentali che governano le
trasformazioni energetiche (calore in lavoro), l’evoluzione dei sistemi e la
loro interazione con l’ambiente esterno, nonché le proprietà dei fluidi impiegati come vettori energetici.
Ci sono diversi modi di affrontare il problema termodinamico. In questo
Corso, si useranno i concetti della termodinamica classica, che non si occupa di analizzare i costituenti del sistema (molecole), ma considera la materia come un continuo, e considera i sistemi e le loro interazioni in senso
macroscopico. Pertanto, si analizzeranno le grandezze macroscopiche che
rappresentano lo stato del sistema senza considerare la loro origine microscopica (molecolare).
E’ importante osservare che le uniche basi su cui si fonda la Termodinamica classica sono le osservazioni sperimentali dei fenomeni fisici e le relative misure. Non esiste alcuna altra base di tipo teorico. Pertanto le leggi
della termodinamica come quelle di ogni altra disciplina scientifica, hanno
carattere di postulati che sono ritenuti veri finché non contraddetti da qualche osservazione sperimentale.
Il risultato di tale analisi è rappresentato dai quattro fondamentali postulati, o principi o leggi della termodinamica:
Principio zero della termodinamica: definisce l’equilibrio termodinamico di un sistema e il concetto di temperatura (Fowler, 1931)
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Primo principio della termodinamica: definisce le diverse forme
di energia in transito e esprime il principio di conservazione
dell’energia di un sistema (Clausius, Rankine, 1850)
Secondo principio della termodinamica: mostra le possibilità di
funzionamento delle macchine termiche dirette ed inverse e come nei
processi reali si abbia una riduzione della qualità dell’energia (Clausius, 1856)
Terzo principio della termodinamica: descrive il comportamento
dei sistemi a temperature prossime allo zero assoluto e di questo ne
definisce l'irraggiungibilità (Nerst, 1906)
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Capitolo 1. SISTEMI, PROPRIETÀ TERMODINAMICHE E
UNITÀ DI MISURA
In questo capitolo sono definiti alcuni concetti fondamentali nel linguaggio termodinamico quali sistema, confine, esterno. Inoltre vengono definite
le principali grandezze comunemente impiegate nello studio dei processi
termodinamici quali la pressione, il volume specifico, la densità, la temperatura.
1.1. Sistema termodinamico
Nel linguaggio termodinamico vengono impiegati frequentemente alcuni
concetti
fondamentali quali sistema, ambiente, stato, equilibrio, etc, che costituiscono la base di ogni successivo sviluppo e che conviene quindi definire da
subito.
sistema: è quella porzione di materia (o, al limite, di vuoto!) che si
vuol analizzare dal punto di vista termodinamico;
Ambiente circostante o ambiente esterno: tutto quello (anche il vuoto) che non è definito dal sistema.
La scelta del sistema oggetto di studio deve essere fatta ragionevolmente
di volta in volta quello che risulta più conveniente per gli scopi particolari
che ci si è prefissi:
può essere pertanto semplice come un chilogrammo di gas omogeneo o complesso come ad esempio un intero impianto per la produzione di energia elettrica
la composizione chimica della materia che costituisce il sistema può
essere fissata o variare in conseguenza di reazioni chimiche
la forma ed il volume del sistema non sono necessariamente costanti
La superficie immaginaria che racchiude il sistema e lo separa
dall’esterno viene chiamata superficie di confine o superficie di controllo.
Attraverso il confine possono (ovvero non possono) attuarsi delle interazioni con l’esterno.
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Sistema chiuso (massa di controllo)
In un sistema chiuso, la superficie che delimita e che costituisce il confine
del sistema è impermeabile alla massa ed in generale è permeabile alla
energia.
Un sistema chiuso è costituito pertanto da una data e ben definita quantità
di materia; essa viene talvolta indicato con massa di controllo perché, rimanendo costante la massa del sistema durante le trasformazioni, è conveniente riferirsi a questa grandezza. Il confine di un sistema chiuso è impermeabile alla massa ma, attraverso esso possono avvenire interazioni energetiche
con l’esterno (scambi di lavoro e/o di calore).
Un esempio di sistema chiuso è rappresentato da una massa di gas contenuta in un cilindro con stantuffo. In questo caso, la superficie di confine è
una superficie reale e coincide con le pareti interne del cilindro. Il sistema è
chiuso perché sono impediti scambi di massa con l'esterno, ma sono consentite altre interazioni con l'esterno quali, ad esempio, scambi di lavoro
(attraverso la superficie mobile dello stantuffo o altro) e/o di calore (attraverso le pareti del cilindro).
lavoro
cilindro a
pareti rigide
pistone
mobile
lavoro
calore
Esempio di sistema chiuso
Sistema aperto (volume di controllo)
Per sistema aperto o “volume di controllo” si intende una ben definita regione dello spazio, limitata da una superficie permeabile alla massa, che ne
consente quindi l'ingresso e l'uscita (in generale lo scambio) attraverso opportune aperture.
Per lo studio di dispositivi quali turbine, pompe, ecc., componenti attraverso i quali si il flusso di un fluido di lavoro, risulta più comodo riferirsi ad
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un sistema aperto ( cioè volume di controllo), dove il fluido in quel momento presente nel volume di controllo interagisce con l'esterno mediante
scambi di lavoro e di calore.
portata
entrante
lavoro
portata
uscente
calore
Esempio di sistema aperto
Sistema isolato
Il sistema isolato è tale da non permettere né lo scambio di massa, né
quello di energia attraverso la propria superficie di controllo.
1.2. Importanza dell’approccio microscopico
Il progresso degli ultimi 150 anni nelle scienze che studiano la struttura
molecolare, atomica e nucleare della materia ha portato a definire il punto
di vista microscopico dello studio della termodinamica. La materia è infatti
costituita da un enorme numero di particelle, le molecole, dotate di moto
casuale, con componenti di traslazione nello spazio, di vibrazione intorno
ad un punto e di rotazione attorno ad un loro asse. Possono presentare diversi livelli di energia cinetica. Nell’approccio microscopico si riconoscono
le seguenti forme di energia: quella cinetica del moto delle molecole, quella
potenziale all’interno delle molecole e quella potenziale tra molecole diverse.
Energia cinetica della molecola
Essa dipende delle energie cinetiche di traslazione, vibrazione e rotazione
di una molecola. Si può dimostrare che l’energia cinetica delle particelle di
un sistema è direttamente legata alla temperatura (per ora si consideri la
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concezione fenomenologica di questa grandezza): questo contributo di
energia è dunque detto sensibile, in quanto riconducibile immediatamente
ad un effetto verificabile coi nostri sensi.
Energia potenziale intramolecolare
Essa è legata ai particolari legami atomici all’interno di una molecola, ed
è dunque definita energia chimica o energia di legame. Se non avvengono
reazioni chimiche, l’energia potenziale intramolecolare rimane costante.
Energia potenziale intermolecolare
Essa dipende dalla grandezza delle forze di interazione tra molecole diverse. Tali forze sono determinanti per definire lo stato di aggregazione del
sistema, e sono quindi più forti nei solidi e progressivamente più deboli nei
liquidi e nei gas. L’energia di questo tipo è definita latente, perché di essa
ci si può rendere conto solo in certe situazioni, definite cambiamenti di fase.
L’energia totale data dalla somma delle energie cinetiche e potenziali delle molecole di un sistema termodinamico è detta energia interna.
Approccio microscopico
Tramite l’approccio microscopico (ad esempio quello della termodinamica statistica) le caratteristiche fenomenologiche macroscopiche del sistema
(ad es. pressione temperatura, densità, etc.), le sue trasformazioni, i processi
e gli stati possono essere definiti con le leggi statistiche della dinamica delle
molecole (meccanica statistica). Nella termodinamica statistica, quindi,
la pressione è definita considerando la variazione di quantità di moto
che l’elevatissimo numero di molecole presenti nel sistema subisce
statisticamente in un certo intervallo di tempo a causa degli urti sulla
superficie del contenitore.
la temperatura, in modo analogo, è legata i maniera statistica alla
energia cinetica delle molecole presenti nella massa di controllo.
La termodinamica statistica nelle sue varie espressioni, pur conferendo un
significato immediato ed intuitivo alle grandezze termodinamiche, è piutto-
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sto complessa dal punto di vista didattico, perché presuppone la conoscenza
di strumenti matematici (meccanica statistica e teoria delle probabilità) non
familiari agli studenti del secondo anno di ingegneria.
1.3. Approccio macroscopico. La materia come un continuo
In questo corso si è invece usato l’approccio tipico della termodinamica
classica, quello macroscopico. In esso, le grandezze utili per studiare i processi e le trasformazioni sono definite in un contesto macroscopico. Questo
significa che nello studio di una trasformazione termodinamica, ciò che interessa è il comportamento globale del sistema, mentre ha scarsa rilevanza
lo studio a livello microscopico delle modalità di interazione delle singole
particelle che compongono il sistema stesso. Trai suoi vantaggi, vi è la possibilità di descrivere i sistemi con un ridotto numero di parametri, e la facilità di applicazione ai problemi ingegneristici.
Il punto di vista macroscopico è associato a quello della materia vista
come un continuo. Con tale punto di vista si vuole evitare di osservare e
analizzare statisticamente le molecole del sistema, ma piuttosto valutare
unicamente le grandezze caratteristiche macroscopiche del sistema.
Occorre innanzitutto comprendere se un sistema termodinamico si può
considerare come un continuo. Si supponga di avere un gas in un contenitore nel quale vige una pressione ed una temperatura , ed all’interno si osservi un volume di controllo di dimensioni ridotte.
Il fluido come un continuo
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Se il volume di controllo è sufficientemente piccolo, al limite confrontabile con la distanza tra le singole particelle e quindi col libero camino medio molecolare, potrebbe capitare che in certi istanti non ci siano molecole
nel volume, rendendo impossibile la valutazione statistica dei parametri
temperatura, pressione e densità (o volume specifico). Il concetto di continuo richiede pertanto che il sistema che si sta analizzando sia considerabile
come composto da sistemi elementari, definiti particelle, aventi le seguenti
caratteristiche:
dimensioni sufficientemente grandi affinché vi sia sempre un numero di molecole tale da permettere la valutazione statistica della
temperatura e della pressione
dimensioni sufficientemente piccole da potersi considerare infinitesime rispetto alle dimensioni del sistema termodinamico che si vuole
studiare
Si osservi comunque che il volume risultante è molto piccolo: ad esempio
in un volume
(che può essere considerato un cubo di lato
!) sono presenti, per l’aria in Condizioni Standard, circa
molecole.
Con queste due ipotesi, risulta possibile in ogni punto del sistema definire
le grandezze termodinamiche e considerarle continue nello spazio e nel
tempo. Per queste variabili continue sarà possibile effettuare il rapporto incrementale e applicare tutte le regole del calcolo differenziale. Ad esempio,
la densità in un punto del sistema sarà definita come
dove
è la massa contenuta nel volumetto
, è il limite tende al valore
, definito come in precedenza.
Il concetto di sistema macroscopico e continuo si adatta agevolmente alla
grande maggioranza dei processi tecnici con l'unica eccezione dei gas rarefatti, nei quali il libero cammino medio molecolare può essere comparabile
con la scala delle lunghezze del sistema. In questi casi non è più lecita l'ipotesi di sistema continuo ed occorre far ricorso ad altri approcci metodologici.
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1.4. Equilibrio di un sistema e principio zero della termodinamica
Abbiamo visto come con l’approccio macroscopico si possano definire su
base fenomenologica le proprietà termodinamica di un sistema, cioè qualunque caratteristica del sistema definibile in un dato istante. Ad esempio,
per un gas all’interno di un contenitore si intuisce mediante contatto se esse
è caldo o freddo e quindi in qualche modo si può definire una temperatura.
Inoltre, tramite utilizzo di misuratori di pressione si possono osservare effetti riconducibili alla pressione interna del serbatoio. Sono quindi proprietà
del sistema le grandezze massa, volume, energia, pressione, temperatura
etc. Se si riesce a trovare una serie di valori per questi parametri macroscopici, possiamo dire che questi valori definiscono lo stato del sistema.
Può succedere che i parametri del sistema, e quindi lo stato del sistema,
cambino se si effettuano successive misure nel tempo. Se dopo un periodo
di tempo questi parametri si mantengono costanti, si può pensare che il sistema sia arrivato ad un certo equilibrio , che possiamo chiamare termodinamico, e che è importante definire correttamente.
In generale, il termine equilibrio definisce una situazione di bilanciamento tra forze o azioni opposte. Quando un sistema fisico è in equilibrio, ciascuna parte di esso è in equilibrio con qualsiasi altra parte. Pertanto, non vi
è trasferimento netto di materia o energia tra due qualsiasi parti del sistema.
L’equilibrio è di tipo dinamico, nel senso che le molecole che statisticamente, nel loro moto casuale, portano energia o materia da una parte all’altra
sono bilanciate da altrettante che effettuano lo stesso ma in verso contrario.
Diffusione di inchiostro in un liquido
La termodinamica classica tratta essenzialmente le proprietà di sistemi in
equilibrio. Per descrivere stati di non equilibrio, occorrerebbe utilizzare an-
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che teorie di altre discipline quali la meccanica dei fluidi, conduzione termica e altre aree della fisica, che non faremo.
A seconda di quale grandezza fisica stiamo considerando, si possono avere differenti forme di equilibrio di un sistema. Ne considereremo solo alcune:
Equilibrio di fase
Se una sostanza è all’interno di un contenitore sigillato, in particolari
condizioni si separa in regioni omogenee che manifestano differenti proprietà. Chiameremo fasi ciascuna di queste parti omogenee. Quando la
quantità di queste fasi non varia nel tempo, si può dire che il sistema è in
equilibrio di fase
Equilibrio chimico
Se più specie chimiche sono mescolate assieme, in caso di reazione chimica si può determinare una variazione delle loro concentrazioni e la formazione di specie non presenti inizialmente. Le reazioni chimiche avvengono nel verso della formazione dei prodotti di reazione ma anche in senso
inverso. Se le concentrazioni delle diverse specie si portano a valori costanti, si può affermare che il sistema è in equilibrio chimico.
Equilibrio meccanico
Si consideri un contenitore cilindrico con un pistone che possa muoversi
in esso e che divide in due parti (sistemi A e B) la zona interna, bloccato
inizialmente in posizione fissa. Si inviino delle quantità diverse di gas nelle
due zone. Una volta tolto il fermo al pistone, esso inizialmente si muoverà e
oscillerà per poi fermarsi in una posizione di equilibrio. Diremo che i sistemi A e B sono in equilibrio meccanico. Essendo uguali le superfici su cui
agiscono le due pressioni, possiamo dedurre che anche le pressioni
e
devono essere uguali. Pertanto la pressione può considerarsi come un indicatore di equilibrio meccanico.
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Equilibrio meccanico
Equilibrio termico
Se il pistone visto precedentemente divide due gas a temperatura diversa,
dopo un certo tempo si osserva empiricamente che la “sensazione termica”
di quello più caldo diminuisce e quella del più freddo aumenta. Quando non
si osserva più nessun cambiamento si dirà che i due sistemi sono in equilibrio termico. Occorre però individuare un indicatore oggettivo di tale sensazione termica. Ad esempio, certi fluidi aumentano di volume quando
vengono posti a contatto con corpi che danno sensazioni termiche diverse.
Uno di questo è il mercurio con il quale si può costruire uno strumento che
indichi, per confronto, se due corpi danno la stessa sensazione termica.
Equilibrio termico
Principio zero della termodinamica
Le evidenze sperimentali hanno portato ad enunciare un postulato, detto
principio zero della termodinamica, formulato nel 1931. Esso afferma
che:
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due sistemi, ognuno in equilibrio termico con un terzo, sono
anche in equilibrio termico tra di loro.
Il terzo sistema costituisce un termometro, cioè lo strumento di confronto
della sensazione termica dei due sistemi. Dal principio zero si può anche
definire la grandezza temperatura:
due sistemi che determinano uno stesso effetto sullo strumento di confronto sono in equilibrio termico tra di loro, cioè sono caratterizzati dallo
stesso valore di una grandezza termodinamica, definita temperatura.
Il principio zero permette dunque la creazione di una scala oggettiva di
temperatura.
Equilibrio termodinamico
Per un sistema isolato, l’equilibrio termodinamico è la condizione di
permanenza (invarianza) delle proprietà termodinamiche. L'equilibrio termodinamico include pertanto contemporaneamente l’equilibrio chimico, di
fase, meccanico e termico.
Ad uno stato di equilibrio termodinamico si può associare un unico valore di tutte le proprietà che caratterizzano il sistema. Si tratta in realtà di una
astrazione, perché i sistemi reali non sono mai strettamente in equilibrio.
Tuttavia si assume che ogni sistema possa raggiungere una condizione di
equilibrio e, se isolato, permanere indefinitamente nello stato di equilibrio
raggiunto.
In termodinamica tecnica, si ha a che fare con macchine in grado di convertire energia tra diversi tipi, facendo passare i fluidi coinvolti attraverso
stati termodinamici diversi, cioè facendo subire loro delle trasformazioni
termodinamiche. Una trasformazione termodinamica è quindi quella situazione in cui le proprietà di un sistema cambiano nel tempo e che noi supporremo avvenire in una successione di stati di equilibrio. Si parla quindi di
quasi-equilibrio e di trasformazioni quasi statiche, realizzabili solo usando
tempi infinitamente lunghi, cosa non possibile nella realtà. Comunque, in
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certe condizioni le trasformazioni reali possono essere considerate quasi
statiche con un errore ridotto.
Per poter compiutamente definire una trasformazione, non occorre solo
definire gli stati iniziali e finali, ma anche quelli intermedi, ciò quelli attraversati dal sistema tra i due stati estremi.
1.5. Proprietà termodinamiche e unità di misura
Le proprietà termodinamiche di un sistema in equilibrio possono essere
classificate in due categorie: estensive ed intensive:
una proprietà estensiva è direttamente proporzionale alla quantità di
materia presente nel sistema o al volume da esso occupato;
una proprietà intensiva è del tutto indipendente dalla massa e dal volume del sistema.
Esempio del primo tipo sono il volume totale , la massa totale o
l’energia totale di un sistema, che dipendono evidentemente dalla quantità di materia o dalle dimensioni del sistema. Esempi di proprietà intensiva
sono invece la pressione, la temperatura e la densità, che non dipendono
dalla quantità di massa di cui è costituito il sistema.
Se le proprietà estensive vengono riferite all’unità di massa del sistema, si
ottengono le proprietà specifiche. Ad esempio, se il volume totale viene
diviso per la massa del sistema, si ottiene il volume specifico v, che è una
proprietà intensiva. In generale dividendo una proprietà estensiva (ad eccezione di M ) per la massa totale del sistema M, si ottiene la corrispondente
proprietà intensiva.
Nel seguito verranno definite le seguenti proprietà termodinamiche:
la densità, il volume specifico, la pressione e la temperatura.
Densità e volume specifico
La densità di una sostanza è definita come la massa per unità di volume
ed è normalmente indicata con la lettera greca . Matematicamente, se è
la massa contenuta nel volume , la densità è espressa da
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Nel sistema internazionale (SI) l'unità di misura della densità è il
.
Il volume specifico di una sostanza è invece definito come il volume per
unità di massa, cioè l’inverso della densità, ed è indicato con la lettera .
Nel sistema internazionale l'unità di misura del volume specifico è il
.
Si ricorda, infine, che il peso specifico
la forza peso per unità di volume:
di una sostanza è definito come
L'unità di misura del peso specifico, nel sistema internazionale, è il
.
Pressione
La pressione in termodinamica ha la stessa definizione che ha in meccanica. Pertanto è definita come il rapporto tra la forza normale agente su una
data superficie e l’area della stessa superficie.
Nel Sistema Internazionale l'unità di misura della pressione è il pascal:
. La pressione di pascal equivale alla pressione esercitata dalla forza normale di newton agente su di metro quadrato di superficie.
La pressione di un pascal è una pressione molto piccola rispetto a quella
atmosferica (circa un centomillesimo,
). Sono pertanto molto impiegati, nei processi tecnici, i multipli del pascal e cioè il
(chilopascal) ed il
(megapascal).
Come unità di misura della pressione nel sistema SI viene comunemente
impiegato anche il bar che è un multiplo del pascal:
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In un fluido in equilibrio statico la pressione in un determinato punto è la
stessa qualsiasi sia la superficie considerata per il suo calcolo. Si dice che in
un fluido fermo la pressione ha caratteristica di isotropia e il suo valore dipende soltanto dalla posizione del punto e dalle caratteristiche del fluido
considerato. La relazione fondamentale della statica dei fluidi (legge di Stevino) definisce la pressione in un punto in base all’affondamento dello
stesso rispetto alla superficie libera (o pelo libero, superficie dove agisce la
pressione atmosferica):
(
)
Tra le unità di misura della pressione, peraltro meno frequentemente impiegate, vi sono anche il millimetro di mercurio, l'atmosfera normale e
l'atmosfera tecnica.
Si definisce millimetro di mercurio quella pressione agente in condizioni
standard (C.S) su un barometro a mercurio, quando il dislivello osservato è
pari a
. Il
è anche detto torr in onore di Torricelli ed il pedice
di
viene da Hydrargyrus, argento vivo. Dalla legge di Stevino,
Si definisce atmosfera normale (simbolo atm) quella pressione agente in
condizioni standard (C.S) su un barometro a mercurio, quando la lettura è
pari a
.
Si definisce atmosfera tecnica (at), la pressione generata dalla forza di
(chilogrammo forza) agente sulla superficie di
:
La pressione può essere misurata in termini assoluti o relativi, come di
seguito:
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Si definisce pressione assoluta
in un punto di un fluido quella
misurata relativamente al vuoto assoluto, cui corrisponde il valore
.
Si definisce pressione relativa in un punto di un fluido quella
misurata avendo come riferimento la pressione (assoluta) atmosferica locale. E' intuitivo che a questa corrisponda un valore variabile a
seconda della altitudine del luogo di misura, delle condizioni meteorologiche, etc.
Valgono pertanto le seguenti relazioni tra pressione assoluta e relativa:
In condizioni standard la pressione atmosferica locale (assoluta) è data da
Relazione tra pressioni assolute e relative
Per misurare la pressione di un fluido sono disponibili vari strumenti e
sensori. Tra questi il più semplice è il cosiddetto tubo manometrico ad U.
Esso è costituito da un tubo di piccolo diametro (ma non troppo piccolo per
evitare fenomeni di capillarità) nel quale è contenuto un fluido manometrico, in genere mercurio o, per basse pressioni, l'acqua. Questo tubo viene
messo in comunicazione con il fluido del serbatoio o del contenitore di cui
occorre misurare la pressione. La differenza di quota tra i due menischi del
fluido manometrico permette di ricavare il valore di pressione.
Con un tubo manometrico chiuso ad una estremità (barometro di Torricelli) e con opportuna procedura si può anche misurare la pressione atmo19
sferica locale. Nel caso la pressione atmosferica sia uguale ad
dard, l’altezza della colonnina di mercurio si porta a
.
stan-
Temperatura
Fino a questa fase del Corso di termodinamica è stata considerata la
nozione empirica di temperatura, che consiste nella valutazione soggettiva
di quanto un corpo sia caldo o freddo. Si è visto anche come il principio zero della termodinamica permettesse la creazione di una scala oggettiva di
temperatura, definendo per due corpi in equilibrio termico con un terzo,
l’uguaglianza di una proprietà definita temperatura. Si può dire che il terzo
corpo in equilibrio termico con i primi due è lo strumento, detto termometro, con cui si può misurare la temperatura. Esistono diverse tipologie di
termometri, ma tutti essi si basano sulla variazione, funzione della temperatura, di una opportuna proprietà di un materiale fluido o solido. La variazione di questa proprietà, detta proprietà termometrica, permette di realizzare una scala oggettiva di lettura. Nel caso di un comune termometro a
mercurio, ad esempio, la proprietà termometrica è la variazione del volume
specifico con la temperatura (dilatazione termica).
Si possono anche usare altre proprietà termodinamiche per la realizzazione di termometri, come ad esempio la resistenza elettrica di un corpo
conduttore di corrente elettrica (termometri a resistenza) o l’aumento della
pressione di un gas all’interno di uno spazio a volume costante (termometri
a gas).
Esempi di termometri con diversa proprietà termometrica
In ogni caso un buon termometro dovrebbe godere delle seguenti caratteristiche:
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1. elevata sensibilità, intesa come variazione elevata della proprietà
termometrica per una variazione unitaria di temperatura;
2. accuratezza, con la quale si indica che le letture effettuate dal termometro sono molto vicine a quelle di un termometro campione di
riferimento (standard);
3. riproducibilità, proprietà tale che il termometro fornisce ripetutamente le stesse letture per la stessa temperatura di equilibrio;
4. rapidità di risposta, che indica il raggiungimento dell'equilibrio termico in tempi brevi con il corpo di cui occorre misurare la temperatura; in tal modo lo strumento dovrebbe essere in grado di seguire le
eventuali variazioni di temperatura nel tempo;
Per fornire una indicazione oggettiva e ripetibile, cioè una scala di
temperatura, il termometro deve essere sottoposto a calibrazione, procedura che normalmente viene effettuata rilevando la proprietà termodinamica
dello strumento quando questo è messo a contatto con un fluido che subisce
dei fenomeni fisici usati come riferimento (ad es. fusione del ghiaccio e
ebollizione dell’acqua). In altri casi il termometro è calibrato per confronto
con un altro termometro, già calibrato con la precedente procedura. La scala
termometrica Celsius (°C) era inizialmente definita in modo tale che:
corrisponde al punto di congelamento dell’acqua
corrisponde al punto di ebollizione dell’acqua
Queste quantità sono però variabili con la pressione ambiente: ad esempio si otterrebbero valori diversi della scala di temperatura se la calibrazione fosse effettuata al livello del mare od in quota. Pertanto, la scala Celsius
moderna si basa su altri punti fissi, ma è definita in modo analogo:
è la temperatura del cosiddetto punto triplo dell’acqua, definito come lo stato termodinamico dove i tre stati di aggregazione
dell'acqua (solido , liquido e gas) sono coesistenti;
è lo zero assoluto della scala Kelvin (K). La scala Kelvin si basa sulla definizione della temperatura assoluta, che verrà
presentata in un capitolo successivo.
La formula di trasformazione da scala Celsius a scala Kelvin è la seguente:
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Le scale di temperatura relativa e assoluta ancora usate nel mondo anglosassone sono quella Fahrenheit (temperatura relativa) e quella Rankine
(temperatura assoluta). Le formule di conversione si possono trovare in un
qualsiasi testo di fisica o termodinamica. Per esempio , note le temperature
Rankine e Fahrenheit, si possono ricavare le corrispondenti in Celsius, con
le seguenti espressioni:
(
(
)
)
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