03 termodinamica 2016-17

Corso di Progettazione Ambientale – prof. Fabio Peron
Termodinamica classica
La termodinamica classica è la scienza che studia, da un punto di vista
macroscopico, le trasformazioni dell’energia nelle sue varie forme e
gli effetti che tali trasformazioni producono sui corpi materiali.
In particolare studia le trasformazioni di calore in lavoro che hanno luogo
in tutti i motori termici.
Elementi di termodinamica
Essa ha un carattere assiomatico poiché si sviluppa partendo da pochi
principi fondamentali elaborati sulla base di innumerevoli osservazioni
ed esperimenti:
Fabio Peron
Università IUAV - Venezia
Sistemi termodinamici
¾ Principio Zero, che riguarda l’equilibrio termico
¾ Primo Principio, che riguarda l’equivalenza tra lavoro e calore
come forme di energia e la conservazione dell’energia
¾ Secondo Principio, che riguarda l’evoluzione dei sistemi, pone
dei limiti alla trasformazione dell’energia, introduce il
concetto di qualità dell’energia
¾ Terzo Principio, che riguarda la temperatura assoluta e il punto
di zero assoluto
Sistemi termodinamici
l’universo
il sistema
Il primo passo nello studio dei fenomeni è l’individuazione precisa la porzione di
materia o di spazio che si vuole studiare. Questa parte dell’universo che viene
(idealmente) isolata e su cui ci si concentra viene detta sistema.
La separazione dalla restante parte dello spazio avviene attraverso una superficie
di inviluppo che può essere materiale od astratta e che prende il nome di confine.
Tutto quanto è situato oltre i confini del sistema, ma può influenzarne il
comportamento è detto ambiente circostante (o resto dell’universo).
I confini del sistema possono essere:
fissi o mobili
permeabili o impermeabili
Se attraverso i confini non transita massa, il sistema è detto
chiuso; altrimenti il sistema è detto aperto.
Grandezze termodinamiche
Energia di un sistema
Una volta definito il sistema, il passo successivo è quello di individuare delle
grandezze fisiche che siano in grado di descriverlo e di descrivere le sue
interazioni con l’ambiente.
Moto
energia cinetica Ek
Forza di gravità
energia potenziale gravitazionale Ep
Forza elettrostatica
energia elettrica Ee
La termodinamica utilizza grandezze macroscopiche che considerano il sistema
nel suo complesso.
Forza magnetica
energia magnetica Em
Reazioni chimiche
energia chimica Ec
La descrizione macroscopica di un sistema avviene attraverso proprietà su larga
scala, come ad esempio il volume, la pressione, la composizione, le quali:
Reazioni nucleari
energia nucleare En
Tutte queste forme di energia possono essere descritte mediante caratteristiche
macroscopiche della materia. D’altra parte la materia ha una struttura
corpuscolare. Ogni molecola possiede una quota di energia.
non implicano alcuna ipotesi sulla struttura della materia;
sono soggette più o meno direttamente ai nostri sensi;
possono essere misurate direttamente.
L’utilizzo di modelli a scala macroscopica è la forza ed insieme il limite della
termodinamica classica.
vantaggi
svantaggi
è sufficiente un piccolo numero di grandezze
non è possibile descrivere in modo
differenziato il comportamento di singole parti
no ipotesi sulla struttura della materia
energia cinetica elementare
energia potenziale elementare
La somma di tutte le forme di energia “microscopiche” che possono cioè essere
descritte solo entrando nel merito della struttura della materia viene detta
energia interna.
Conservazione dell’energia totale
Energia interna e energia totale
La somma di tutte le forme di energia “microscopiche” che possono cioè essere
descritte solo entrando nel merito della struttura della materia viene detta
energia interna.
Un indice macroscopico del contenuto energetico molecolare è la temperatura:
più elevata è la temperatura più intenso è il moto molecolare e le interazioni
molecola-molecola e quindi più elevata è anche la somma delle energie che la
materia possiede a livello microscopico.
Energia interna:
simbolo
unità di misura
Forze a livello atomico
U
joule [J]
Si definisce energia totale Etot di un corpo la somma di tutte le forme di energia
che sono associabili a tale corpo sia a livello macroscopico che a livello
microscopico.
Etot = E p + Ek + Ee + Em + Ec + En ..... + U
In un sistema che non riceve o cede energia (sistema isolato) possono svolgersi
quanti fenomeni si vogliono: meccanici, termici, chimici, nucleari; in ognuno di
essi si avrà trasformazione di una forma di energia in un’altra, ma la somma
totale dei valori delle varie forme di energia rimane costante.
In tutti i fenomeni naturali si è sempre vista osservata la legge di conservazione
dell’energia, ossia l’energia totale di un sistema isolato è costante, cioè:
Etot = E p + Ek + Ee + Em + Ec + En + ... + U = cost.
La legge di conservazione dell’energia che è uno dei fondamenti della scienza
moderna, chiarisce il significato fisico dell’energia: questa si manifesta sotto
forma di energie di vario tipo, le quali, con le loro reciproche trasformazioni,
determinano l’aspetto sempre mutevole delle cose e dei fenomeni.
Per l’occasione ci facciamo aiutare
R. Feynman e il Principio di Conservazione dell’Energia
R. Feynman e il Principio di Conservazione dell’Energia
R. Feynman e il Principio di Conservazione dell’Energia
Grandezze di stato
Equilibrio termodinamico
Un sistema possiede numerose caratteristiche, solo alcune di esse sono
rilevanti dal punto di vista della termodinamico, esse sono classificate
come proprietà termodinamiche.
Lo stato di un sistema termodinamico è noto quando si conoscano i valori
assunti dalle sue proprietà termodinamiche.
Alcune proprietà termodinamiche di un sistema sono grandezze di stato, ossia
funzioni univoche dello stato
Esempi di grandezze di stato sono: pressione, volume, temperatura
Le proprietà termodinamiche possono essere classificate come intensive ed
estensive:
intensive: il loro valore non dipende dalla massa considerata
estensive: il loro valore dipende dalla massa considerata
Volume, V [m3]
volume specifico,
v [m3/kg]
Sistemi p,v,T e diagrammi
Lo stato di una nutrita classe di sistemi può essere individuato da una coppia
di grandezze di stato scelte tra le tre grandezze pressione, volume e
temperatura: p, v, T.
lo stato termodinamico del sistema resta determinato nel piano dal punto le
cui coordinate corrispondono alla coppia di valori assunti, caso per caso, da
due grandezze di stato indipendenti.
Quando tra il sistema e l’ambiente non avvenga alcun tipo di interazione, oppure
avvengano interazioni che mediamente si compensano, le caratteristiche proprie
del sistema permangono costanti nel tempo: il sistema si dice allora in equilibrio
termodinamico.
La termodinamica classica studia unicamente sistemi in equilibrio termodinamico.
L’equilibrio termodinamico presuppone che vi sia:
¾
¾
¾
equilibrio meccanico, cioè che non si abbiano forze non bilanciate
ne all’interno del sistema ne tra il sistema e l’ambiente;
equilibrio chimico, che non si abbiano cioè reazioni chimiche;
equilibrio termico cioè che tutte le parti del sistema abbiano la
stessa temperatura e che questa coincida con quella dell’ambiente.
In tali condizioni è evidente che il sistema non ha nessuna tendenza al
cambiamento.
In condizioni di equilibrio le grandezze di stato che caratterizzano un sistema
hanno in ogni istante e in ogni punto lo stesso valore.
Trasformazioni termodinamiche
Una trasformazione termodinamica è il processo che porta il sistema da uno stato
di equilibrio ad un altro stato di equilibrio. In quanto stati di equilibrio, lo stato di
partenza e quello finale sono completamente determinati dai valori assunti dalle
grandezze di stato mentre non lo sono, durante una generica trasformazione, gli
infiniti stati attraverso cui il sistema passa.
Perché una trasformazione possa essere completamente determinata essa deve
avvenire mediante la successione di piccolissime perturbazioni ognuna delle quali
porta il sistema da uno stato di equilibrio ad un altro stato di equilibrio molto
prossimo al precedente: trasformazione quasistatica.
Trasformazioni chiuse o aperte
Quando lo stato iniziale e quello finale di una trasformazione coincidono tale
trasformazione è detta chiusa o ciclica. Processi di questo tipo sono estremamente
importanti proprio per il fatto che il sistema torna, dopo ogni ciclo, nello stato
iniziale: la trasformazione può allora aver luogo infinite volte senza che il sistema
conservi traccia dell’evento. Tutte le macchine costruite dall’uomo funzionano
secondo processi ciclici
Trasformazioni aperte
Possono essere realizzate trasformazioni aperte in modo tale:
¾
pressione costante
isobara
¾
volume costante
isocora
¾
temperatura costante
isoterma
Quando lo stato iniziale e finale sono diversi la trasformazione si dice aperta.
Trasformazioni reversibili
Una trasformazione quasistatica nella quale sono assenti tutti i fenomeni
dissipativi è una trasformazione reversibile.
Lavoro termodinamico
In ambito termodinamico importanti scambi di lavoro avvengono per variazione
di volume.
Quando una trasformazione reversibile viene percorsa prima in un senso e
poi nell’altro non resta alcuna traccia del processo avvenuto né nel sistema
né nell’ambiente.
Una trasformazione reversibile è una trasformazione ideale nella quale gli
attriti sono nulli e gli scambi di energia possono essere invertiti di segno.
E’ evidente che nella realtà ci si può solo avvicinare a tale processo ideale
senza però mai realizzarlo completamente.
Le trasformazioni reali sono trasformazioni irreversibili: le cause di
irreversibilità e le loro conseguenze saranno chiarite nel seguito.
dL = F ds = p A ds = p dV
dL = p dV
joule = (N/m2) m3
Lavoro termodinamico
Lavoro in sistemi con deflusso
Per una trasformazione quasistatica finita, dallo stato A
(con volume V1) allo stato B (con volume V2) il lavoro è:
Se si fa invece riferimento al lavoro
svolto dall’unità di massa, si considera
il volume specifico e si ha:
dl = pdv
L=
∫
V2
V1
pdV
F=pA Lp=pV
v2
l = ∫ pdv
per unità di massa:
v1
Lp/m=pv
E’ necessario esplicitare il tipo di
trasformazione compiuta, il lavoro
dipende infatti dalla trasformazione
eseguita dal sistema, è cioè una
grandezza di scambio.
Il lavoro di immissione e espulsione può essere pensato come un’energia data al
fluido in movimento; è il prodotto di due proprietà del fluido e quindi può
essere considerato:
¾ una proprietà del fluido
¾ parte dell’energia di un fluido in movimento
Lavoro in sistemi con deflusso
Sorgenti di calore
Questa seconda considerazione ci permette notevoli semplificazioni nello studio
dell’equazione dell’energia per sistemi aperti
L’energia totale di un fluido che scorre riferita all’unità di massa può essere così
espressa:
ϑ = pv + etot = pv + u + ek + e p
= pv + u +
w2
w2
+ gz = h +
+ gz
2
2
h =
u + pv = entalpia specifica [J/kg]
H = (U + PV) = entalpia
[J]
= proprietà combinata del sistema, è una grandezza di stato essendo una
funzione delle grandezze di stato energia interna, pressione e volume.
usando il concetto di entalpia non è necessario preoccuparsi del
lavoro di immissione
In termodinamica si definiscono sorgenti di calore quei corpi di massa talmente
grande da poter cedere od assorbire una qualsiasi quota di calore senza che la
loro temperatura subisca variazioni
Lo scambio di calore tra sistema ed ambiente avviene solo se tra essi esiste una
differenza di temperatura.
Se tale differenza ha un valore finito la trasformazione che il sistema subisce non
è quasistatica.
Perché la trasformazione sia quasistatica la differenza di temperatura
dev’essere infinitesima: in tal caso la temperatura del sistema è uniforme
e la sua variazione è infinitamente lenta. In questo caso anche il flusso di
calore è infinitamente lento e si può valutare in funzione delle grandezze
di stato del sistema.
Qualsiasi trasformazione quasistatica prodotta attraverso il contatto
tra un sistema e una sorgente di calore è necessariamente
isoterma.
Calore e lavoro: grandezze di scambio
Lavoro e calore: due facce della stessa medaglia
Calore e lavoro sono interazioni tra sistema e ambiente:
1.
si manifestano al confine del sistema quando lo attraversano;
2.
sono forme di energia di scambio, i sistemi cioè possiedono energia ma
non calore o lavoro;
3.
sono associati alle trasformazioni e non allo stato;
4.
la loro entità dipende dal percorso seguito durante una trasformazione e
non solo dagli stati finale e iniziale.
„
Il lavoro eseguito per far ruotare
le pale, causa un aumento della
temperatura dell’acqua
„
Joules dimostrò anche che il calore
era proporzionale alla quantità di
lavoro
„
1 Caloria = 4,186 Joules
Esistono delle convenzioni
rispetto ai segni delle due
grandezze.
Lavoro e calore: due facce della stessa medaglia
Joules provò l’equivalenza tra calore
e lavoro
Lavoro e calore grandezze di scambio
Non possono essere immagazzinati come Calore o come Lavoro. Contribuiscono
a variare il contenuto energetico dei corpi e accompagnano le trasformazioni.
L’energia cinetica di una palla tennis permette di compiere
lavoro di deformazione che si trasforma in calore e si
manifesta con un aumento della temperatura
Il calore è energia “disordinata”
Il lavoro è energia “ordinata”