caricato da peppepizza

I principio termodinamica

annuncio pubblicitario
Unità 5
Il primo principio della
termodinamica
Copyright © 2009 Zanichelli editore
1. Gli scambi di energia
Stelle e animali sono sistemi che scambiano
energia con l'ambiente circostante.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Gli scambi di energia
Un sistema è un insieme di corpi che scambia
con l'ambiente materia ed energia.
La termodinamica studia le leggi con cui i
sistemi cedono e ricevono energia dall'ambiente;
gli scambi di energia avvengono sotto forma di
calore e lavoro;
l'energia interna di un sistema
aumenta o diminuisce se esso
acquista energia dall'ambiente
e viceversa.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Un cilindro pieno di gas perfetto
Il sistema cilindro-pistone-gas perfetto contenuto
nel cilindro può scambiare calore e lavoro con
l'ambiente:
sul fornello acceso il gas riceve
calore dall'ambiente;
comprimendo il pistone riceve
lavoro compiuto da una forza
esterna.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Un cilindro pieno di gas perfetto
Lo stato del sistema di n moli di gas perfetto è
descritto dalle tre grandezze p, V, T:
note due di esse, l'equazione di stato
pV=nRT
consente di ricavare la terza.
(Esempio:
)
Caso generale: definiamo
fluido omogeneo ogni corpo
regolato da un'equazione di stato.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Un cilindro pieno di gas perfetto
Poiché solo due grandezze tra p, V e T sono
indipendenti, lo stato del sistema può essere
rappresentato da un punto in un diagramma
pressione-volume.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
2. L'energia interna di un sistema fisico
L'energia interna U di un sistema fisico dipende
solo dalle condizioni in cui esso si trova e non
dalla sua storia passata.
L'energia cinetica K delle molecole di un gas
dipende solo dalla temperatura T;
l'energia potenziale Epot dipende
dalle distanze tra le molecole;
entrambe non variano
se p e V restano costanti.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Le funzioni di stato
Le funzioni di stato sono grandezze che come
U, dipendono solo dalle variabili termodinamiche
che servono per descrivere il sistema fisico.
Ad esempio, se il sistema passa dallo stato A allo
stato B, la variazione di U,
dipende solo da A e da B
e non dalla particolare
trasformazione AB del sistema.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
L'energia interna è una grandezza estensiva
Le grandezze fisiche sono:
estensive, se il loro valore dipende dalla massa
del sistema fisico o dal numero di particelle che
contiene;
intensive, se il loro valore non dipende in modo
diretto dall'estensione del sistema fisico.
L'energia interna di un sistema è una grandezza
estensiva.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
L'energia interna è una grandezza estensiva
Consideriamo i sistemi:
La massa ed il volume sono grandezze estensive
(si sommano);
la temperatura è una grandezza intensiva (resta
la stessa).
Copyright © 2009 Zanichelli editore
3. Il principio zero della termodinamica
Le grandezze p, T di un sistema sono definite
solo se hanno lo stesso valore in tutti i punti.
Ciò si ottiene se il sistema si trova in equilibrio
termodinamico, ossia:
equilibrio meccanico: la risultante di tutte le forze
interne ed esterne deve essere zero;
equilibrio termico: la temperatura deve essere
uniforme in tutto il fluido;
equilibrio chimico: la struttura interna e la
composizione chimica devono restare immutate.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il principio zero della termodinamica
Per misurare la temperatura di due oggetti non a
contatto tra loro si usa il termometro.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il principio zero della termodinamica
Principio zero della termodinamica:
se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo
C e anche un corpo B è in equilibrio termico con
C, allora A e B sono in equilibrio termico tra loro.
Il principio è un criterio generale per confrontare
le temperature di oggetti distanti nello spazio o
nel tempo.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
4. Trasformazioni reali e trasformazioni quasistatiche
Se un sistema in uno stato A viene portato fino ad
uno stato B, la situazione intermedia è difficile da
descrivere.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Trasformazioni reali e trasformazioni quasistatiche
La trasformazione reale di un sistema nel piano
p-V è rappresentata da un “fuso”, in cui solo A e
B sono definiti.
L'area nel piano rappresenta tutti i valori di p e V
assunti dal sistema nel corso della sua
evoluzione.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Le trasformazioni quasistatiche
La
trasformazione
quasistatica
è
un
procedimento ideale che passa attraverso un
numero enorme di stati intermedi di equilibrio
termodinamico, pochissimo differenti tra loro.
Una trasformazione reale
molto lenta approssima
bene una trasformazione
quasistatica.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Trasformazioni quasistatiche particolari
Alcune trasformazioni quasistatiche semplici sono
quelle in cui rimane costante una delle tre
grandezze p, V, T:
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Trasformazioni quasistatiche particolari
Altre trasformazioni quasistatiche importanti sono:
trasformazioni adiabatiche, in cui non ci sono
scambi di calore tra il sistema e l'ambiente
esterno;
trasformazioni cicliche, in cui lo stato finale del
sistema coincide con quello iniziale.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
5. Il lavoro termodinamico
Scaldiamo lentamente il gas contenuto nel
cilindro: trasformazione quasistatica isòbara.
Il gas si espande ed il pistone sale:
il sistema compie un lavoro positivo
che può essere sfruttato.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il lavoro è uguale a un'area
Il lavoro W compiuto dal sistema quando il
pistone sale di un tratto h è : W = F h.
La forza F è data da F = p S, quindi
dove V = S h è l'aumento di volume.
Si ha dunque
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il lavoro è uguale a un'area
La rappresentazione grafica del lavoro è:

Per tutte le trasformazioni, il lavoro è dato dall'area
compresa tra il grafico e l'asse V.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il lavoro compiuto in una trasformazione ciclica
Espansione del gas: lavoro positivo (V > 0); è il
sistema a fornire lavoro all'ambiente.
Compressione del gas: lavoro negativo(V <0);
è l'ambiente esterno a compiere lavoro sul
sistema.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il lavoro compiuto in una trasformazione ciclica
Durante una trasformazione ciclica ci sono una
fase di espansione ed una di compressione.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il lavoro compiuto in una trasformazione ciclica
Abbiamo dunque un risultato generale:
Il lavoro compiuto in una trasformazione ciclica
corrisponde all'area della parte di piano p-V
compresa dalla linea chiusa che rappresenta la
trasformazione.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Il lavoro non è una funzione di stato
Il lavoro compiuto nelle due trasformazioni
rappresentate in figura non è lo stesso, anche se
gli stati iniziale e finale A e B sono gli stessi.
Il lavoro non è una funzione di stato, ma dipende
dalla particolare trasformazione del sistema.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
6. Enunciazione del primo principio della termodinamica
Consideriamo un'espansione isòbara.
La variazione di energia interna è:
il sistema:
ha compiuto un lavoro W per
espandersi, cedendo energia;
ha assorbito calore Q dal
fornello, acquistando energia.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Enunciazione del primo principio della termodinamica
Per la conservazione dell'energia deve valere il
primo principio della termodinamica:
la variazione di energia interna del sistema è
uguale alla differenza tra il calore assorbito
dall'ambiente ed il lavoro compiuto dal sistema.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Enunciazione del primo principio della termodinamica
Il primo principio è una delle leggi più importanti
della Fisica: non vale solo per il gas perfetto ma
per tutti i sistemi.
Si
applica
a
tutte
le
trasformazioni
termodinamiche purché si usi il corretto segno per
Q e W:
Copyright © 2009 Zanichelli editore
7. Applicazioni del primo principio
1) Trasformazioni isocòre (V costante)
V = 0, perciò W = 0; dunque si ha U = Q.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Applicazioni del primo principio
2) Trasformazioni isòbare (p costante)
Poiché W = p V, si ha U + p V = Q.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Applicazioni del primo principio
3) Trasformazioni cicliche
Poiché lo stato iniziale A coincide con quello
finale B, la funzione di stato U non cambia:
U = 0. Si ha dunque
Q = W.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Applicazioni del primo principio
4) Trasformazioni adiabatiche (senza scambi
calore)
Mettiamo il gas in un thermos (isolante termico).
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Applicazioni del primo principio
Poiché non ci sono scambi di calore, Q = 0.
Si ha U = –W.

espansione adiabatica:
W > 0, U < 0: il gas si raffredda;

compressione adiabatica:
W < 0, U > 0: il gas si riscalda.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Applicazioni del primo principio
Riepilogo delle trasformazioni principali:
isocòre: U = Q. La variazione di energia interna
è pari al calore scambiato.
isòbare: U + p V = Q. Il calore assorbito Q in
parte aumenta U e in parte compie lavoro.
cicliche: Q = W. Il calore totale assorbito è
uguale al lavoro compiuto.
adiabatiche: U = –W. Un'espansione raffredda
il sistema, una compressione lo scalda.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Scarica
Random flashcards
geometria

2 Carte oauth2_google_01b16202-3071-4a8d-b161-089bede75cca

CRANIO

2 Carte oauth2_google_d7270607-b7ab-4128-8f55-c54db3df9ba1

blukids

2 Carte mariolucibello

Present simple

2 Carte lambertigiorgia

biologia

5 Carte patty28

creare flashcard