I-principio-della-termodinamica

IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
T R AT TO D A :
I P r o b l e m i D e l l a F i s i c a - C u t n e l l , J o h n s o n , Yo u n g , S t a d l e r – Z a n i c h e l l i e d i t o r e
F o n d a m e n t i d i f i s i c a 1 – H a l l i d a y, R e s n i c , Wa l ke r – Z a n i c h e l l i e d i t o r e
Integrazioni e LO a cura del docente
DI COSA SI OCCUPA LA TERMODINAMICA?
La termodinamica è la parte della fisica che analizza le leggi fondamentali che coinvolgono il calore e il
lavoro.
SISTEMA E AMBIENTE
Le pareti che separano il sistema dall’ambiente si dividono in
pareti diatermiche:
pareti adiabatiche:
pareti che si lasciano attraversare dal
pareti isolanti, che impediscono qualsiasi
calore
scambio di calore tra il sistema e il suo
ambiente
SCAMBI TRA SISTEMA E AMBIENTE
Gli scambi di energia avvengono sotto forma di calore e di lavoro. Quando un sistema riceve
energia dall’esterno, la sua energia interna aumenta; quando ne cede parte all’esterno, la sua
energia interna diminuisce.
SISTEMA TERMODINAMICO IDEALE
SISTEMA = Gas nel cilindro
AMBIENTE = pareti esterne del cilindro,
pistone e fornello
Aumento dell’energia di sistema:
 con il fornello acceso, il sistema riceve energia
dall’esterno sotto forma di calore
 se il pistone viene abbassato, il sistema riceve energia
sotto forma di lavoro compiuto da una forza esterna.
GLI SCAMBI DI ENERGIA TRA UN SISTEMA E L’AMBIENTE
LE PROPRIETÀ DELL’ENERGIA INTERNA DI UN SISTEMA
DATI FORNITI:
𝑉 = 2,5 𝑑𝑚3 (da trasformare)
𝑇 = 15° 𝐶 (da trasformare)
𝑝𝑖 = 1,2 𝑎𝑡𝑚 (da trasformare)
𝑝𝑓 = (1,2 ∙ 0,7) 𝑎𝑡𝑚 (da trasformare)
DATI DA DETERMINARE:
𝑁 =?
∆𝑈 =?
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA
Se due sistemi sono individualmente in equilibrio termico con un terzo sistema, essi sono in equilibrio
termico tra di loro.
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Quando l’energia interna di un sistema comporta una variazione ∆U a
Riduzione
dell’energia
interna
causa di uno scambio di calore Q e di un lavoro L, vale la relazione:
∆𝑈 = 𝑄 − 𝐿
 Q è positivo quando il sistema assorbe calore e negativo quando lo cede;
 L è positivo quando il lavoro è compiuto dal sistema e negativo quando il
lavoro è compiuto sul sistema.
Aumento
dell’energia
interna
LAVORO POSITIVO E NEGATIVO
FUNZIONI DI STATO E NON…
L’energia interna dipende solo dallo stato del sistema e non dal modo in cui il sistema è giunto a
quel determinato stato. Per questo motivo si dice che l’energia interna è una funzione di stato.
Il calore e il lavoro, invece, non sono funzioni di stato
TRASFORMAZIONI REALI E TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE
TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE REALI
TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE
L’equilibrio termodinamico comprende tre tipi diversi di equilibrio
1. Equilibrio meccanico
(la risultante delle forze che agiscono sul pistone deve essere nulla).
2. Equilibrio chimico
la struttura interna e la composizione chimica del sistema devono rimanere inalterate.
3. Equilibrio termico
la temperatura deve essere uniforme in tutto il fluido.
TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE
Una trasformazione è detta quasi-statica se avviene così
lentamente che, in ogni istante, la pressione e la
temperatura sono uniformi in tutte le parti del sistema.
Così come il punto materiale o il gas perfetto, la trasformazione
quasi-statica costituisce un modello semplice che descrive bene
le situazioni reali soltanto in casi particolari.
TRASFORMAZIONE ISOCÒRA
Se si riscalda un gas mantenendolo a volume costante, il primo principio della termodinamica si
riduce alla semplice uguaglianza:
∆𝑈 = 𝑄
poiché il gas non compie lavoro (L = 0) e il calore assorbito dal gas va ad aumentare la sua
energia interna.
TRASFORMAZIONE ADIABATICA
In una trasformazione adiabatica - compiuta, per esempio, isolando termicamente il gas, in
modo che non vi sia alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante (Q = 0), e diminuendo
la pressione del gas - per espandersi il gas compie un lavoro (che sarà quindi negativo) e il
primo principio della termodinamica si riduce all'uguaglianza:
∆𝑈 = −𝐿
TRASFORMAZIONE ISOTERMA
Se, infine, si compie sul sistema una trasformazione a temperatura costante e si diminuisce la
sua pressione, il gas si espande mantenendo invariata la sua energia interna, quindi per il primo
principio della termodinamica si avrà:
∆𝑈 = 0
𝑄=𝐿
APPLICAZIONE
Si consideri un gas che compie la trasformazione rappresentata nel piano di
Clapeyron in fig. 1. Sapendo che la pressione in A è pari a 3 bar e quella in B è pari a 1
bar, il volume in A è 100 cm2 e le temperature TA=TB, si calcoli il lavoro compiuto dal
sistema durante la trasformazione.
TRASFORMAZIONE ISOBARA
Una trasformazione si dice isobara quando avviene a pressione costante.
In queste trasformazioni il lavoro si esprime come prodotto della
pressione costante per la variazione di volume
𝐿 = 𝐹 ∙ 𝑠 ֜ 𝐿 = 𝑝 ∙ ∆𝑉
Rappresentazione nel piano di Clapeyron
TRASFORMAZIONE ISOBARA
𝑄 = 𝑐𝑚∆𝑇
APPLICAZIONE
Un gas si trova inizialmente alla temperatura di 273 K ed ha un volume di 2 m3. Che valore
assume il suo volume se viene portato isobaricamente alla temperatura di 300 K?
TRASFORMAZIONE ISOCORA
Una trasformazione isocora è una trasformazione che avviene a volume
costante.
In un contenitore rigido, la pressione del gas aumenta a causa
dell’energia cinetica prodotta dall’aumento di temperatura; tuttavia le
pareti
non
si
muovono
pertanto
rappresentazione nel piano di Clapeyron)
L=0
∆𝑈 = 𝑄
il
lavoro
è
nullo
(vedi
APPLICAZIONE
Una pentola a pressione fa scattare la valvola di sicurezza a 3 atm. Supponendo che,
inizialmente, all’interno della pentola vi sia vapore acqueo in condizioni normali (pressione 1
atm e temperatura T=273,15 K), a quale temperatura si trova il vapore quando scatta la valvola
di sicurezza?
R=546° C
TRASFORMAZIONE CICLICA
Una trasformazione è detta ciclica quando lo stato iniziale e lo stato finale coincidono.