1. Concetti Fondamentali della Termodinamica....................................................... 3 1.1 Introduzione ....................................................................................................... 3 1.2 Grandezze fisiche e Unità di Misura.................................................................. 3 1.2.1 Grandezze fondamentali nel Sistema Internazionale ..................................... 4 1.3 Definizioni ......................................................................................................... 5 1.4 Stato del sistema ................................................................................................ 6 1.5 Trasformazioni Termodinamiche ...................................................................... 7 1.6 Temperatura ....................................................................................................... 8 1.6.1 Principio zero della termodinamica ............................................................. 8 1.6.2 Scale Termometriche ................................................................................... 9 2 Le Proprietà delle sostanze pure............................................................................ 10 2.1 Fasi di una sostanza pura ................................................................................. 10 2.2 Cambiamenti di fase ........................................................................................ 11 2.3 Diagrammi Termodinamici.............................................................................. 12 ÇENGEL, Termodinamica e Trasmissione del Calore McGraw-Hill, New York,1998. COMINI, Lezioni di Termodinamica Applicata , S.G.E. Ed., Padova. COMINI, CORTELLA Fondamenti di Trasmissione del Calore S.G.E. Ed., Padova. GUGLEMINI,PISONI, Elementi di Trasmissione del Calore , Veschi, Milano. INCROPERA,DEWITT Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Wiley, New York. KREITH, Principi di Trasmissione del Calore, Liguori, Napoli, 1974. SPIGA, Esercizi di Fisica Tecnica , Progetto Leonardo, Bologna. CORTICELLI, Esercizi di Fisica Tecnica 2, Termocinetica, Mutina Libri, Modena. GREGORIO, Fisica Tecnica. Esercizi svolti, Levrotto e Bella, Torino. http://www.ing.unimore.it/facolta/insegnamento.asp?IdAA=489 1.2.1 Grandezze fondamentali nel Sistema Internazionale (Decreto Presidente della Repubblica 12/8/1982, n. 802) 1. Concetti Fondamentali della Termodinamica 1.1 Introduzione Termodinamica: scienza che studia l’energia (meccanica, termica, …..) e i suoi cambiamenti Conservazione dell’energia: durante un’interazione l’energia può trasformarsi da una forma ad un'altra, rimanendo nel suo complesso costante. Grandezza Unità di misura Lunghezza metro (m) Massa kilogrammo (kg) Tempo secondo (s) Temperatura grado kelvin (K) Intensità di corrente ampere (A) Intensità luminosa candela (cd) Quantità di materia mole (mol) Unità di misura campione Grandezze derivate [A]=[L2] Prefissi dei Multipli e sottomultipli tera, T 1012 L’energia ha qualità oltre che quantità: es. raffreddamento di un corpo = degradazione dell’energia in una forma meno utilizzabile Termodinamica classica = studio macroscopico della materia 1.2 Grandezze fisiche e Unità di Misura Misura:Numero + Simbolo (Unità di Misura) (+ Incertezza) Numero infinito di Grandezze: (lunghezza, area, volume, tempo, velocità, potenza volume specifico, viscosità dinamica, calore specifico, ecc..) Numero elevato di unità di misura (lunghezza: metro, centimetro, piede, pollice, spanna, pertica, ecc. ) Numero elevato di campioni per grandezza e unità di misura (lunghezza su muro di ogni Comune Medioevale) 109 giga, G 10 6 10 3 kilo, k 10-2 centi, c 10-3 milli, m -6 10-9 micro, µ nano, n 10-12 pico, p 10 mega, M Esempi corretti: kN, km, °C, K, newton, metri, s Esempi NON corretti: chilo , KM, C, °K, newtons, m. , sec Il peso si misura in Newton (N) la massa si misura in chilogrammi (kg) Le bilance indicano la massa 1.3 Definizioni 1.4 Sistema, Ambiente, Contorno o confine Stato del sistema Proprietà del sistema (T, V, m, ρ, p, ecc.) Proprietà estensive (m, V, E, ecc.) Proprietà specifiche (v=V/m, e=E/m, ecc.) Proprietà intensive (T, p, ecc.) Stato del sistema (in equilibrio termodinamico) Equilibrio termodinamico Equilibrio Meccanico aperti Sistemi: chiusi Sistema isolato (meccanicamente e/o termicamente) Sistema isolato termicamente = adiabatico Energia di un sistema Equilibrio Termico ⇒ Equilibrio di fase Equilibrio Chimico Equilibrio Elettrico Proprietà Indipendenti (per definire lo stato) Esempio p e T per bifase NON indipendenti Regola delle fasi nPI=ncomponenti+ 2-nfasi Energia totale = ener. cinetica + ener. potenziale + ener. Interna 2 mw + mgz + U [J ] 2 J w2 e = ec + e p + u = + gz + u 2 kg E = Ec + E p + U = Valore assoluto e Variazione Calore o lavoro: quantità di energia scambiata fra sistemi e ambiente Un sistema monofase omogeneo (sistema semplice comprimibile) trascurando effetti gravitazionali, magnetici, ecc., viene completamente determinato da due proprietà intensive e indipendenti 1.5 Trasformazioni Termodinamiche Trasformazioni Isoterme, Isobare, Isocore Trasformazione: cambiamento del sistema da uno stato di equilibrio ad un altro Trasformazione ciclica Trasformazione quasi statica o di quasi equilibrio Diagrammi Termodinamici 1.6 Temperatura Due corpi a contatto raggiungono l’equilibrio termico 1.6.1 Principio zero della termodinamica Due corpi, anche se non in contatto fra loro, sono in equilibrio termico se sono entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo Tale terzo corpo può essere un termometro 1.6.2 Scale Termometriche 2 Le Proprietà delle sostanze pure Definizione di sostanza pura 2.1 Fasi di una sostanza pura solido liquido aeriforme (vapore+gas) T ( K ) = T ( ° C ) + 273 . 15 ∆ T ( K ) = ∆ T ( °C ) (azoto, acqua, aria) 2.2 Cambiamenti di fase 2.3 Diagrammi Termodinamici Diagramma T-v Liquido sottoraffreddato Liquido saturo (punto 2) Miscela satura di liquido e vapore Vapore saturo (pumto 4) Vapore surriscaldato Temperatura di saturazione e Pressione di saturazione Diagramma p v Diagramma p T Superficie p v T per l’acqua Estensione alla fase solida solidificandosi diminuisce di Volume solidificandosi aumenta di Volume Acqua 2.4 Entalpia H = U + pV ( J ) h = u + pv ( J / kg ) 2.4 Tabelle delle proprietà 2.3.1 vapori e liquidi saturi l = liquido saturo v = vapore saturo lv= differenza fra i due valori s=saturazione 2.3.2 miscela satura liquido-vapore Titolo della miscela satura x= mv mv = mt ml + m v 0<x<1 Proprietà della miscela satura V = Vl + V v mt v = ml v l + m v v v mt v = ( mt − mv )v l + mv v v v = ( 1 − x )v l + xv v v = v l + xvlv ( m 3 / kg ) u = u l + xu lv h = hl + xhlv v lv = v v − v l 2.3.3 liquido sottoraffreddati Errori modesti se si valuta la proprietà come liquido saturo alla stessa T Correzione per h hlv: Entalpia di vaporizzazione o calore latente di vaporizzazione (r). 2.3.4 vapori surriscaldati h ≈ hl @ T + v l @ T ( p − p s @ T ) 2.4 Gas Ideali 2.4.1 scostamento da gas ideale Z= pv = RT R= Ru M Ru = 8314 J kmol K Aria secca Azoto Ossigeno Idrogeno Elio Argon Anidride Carbonica V → m m = MN → R R= u → M V = Nv → v= pV = mRT pV = MNRT pV = NRu T pv = R u T pv ⇒ pv = ZRT RT Legge degli stati corrispondenti: A parità di pressione ridotta pr = p T T = p c e di temperatura ridotta r Tc tutti i gas hanno lo stesso valore del fattore di compressibilità Z (e quindi del volume specifico) Equazione di stato di Van de Waals a p + 2 (v − b ) = RT v a termine legato alle forze di attrazione b covolume o volume occupato dalle molecole del Gas