LA TERMODINAMICA

1. LA TERMODINAMICA

2. INQUADRAMENTO STORICO I primi studi di Termodinamica risalgono alla metà del XIX secolo, quando in Inghilterra è in corso la Prima Rivoluzione Industriale e si cerca di migliorare l’efficienza delle macchine impiegate nelle attività produttive

3. TEMPERATURA E’ un indice dello stato termico di un corpo che si misura con un termometro (definizione operativa) 100 0

4. SCALE TERMOMETRICHE

5. EQUILIBRIO TERMICO Due corpi aventi temperature diverse…

6. EQUILIBRIO TERMICO …messi a contatto si portano alla stessa temperatura intermedia (temperatura di equilibrio) Ciò avviene mediante scambio di calore

7. IL CALORICO Ipotetico fluido invisibile, impalpabile e privo di massa che è presente in tutti i corpi in quantità diverse e si trasferisce da un corpo più caldo ad un corpo più freddo

8. BENJAMIN THOMPSON (1753-1814) Propone, in alternativa al calorico, una teoria che mette il calore in relazione con “invisibili operazioni meccaniche che si verificano quando i corpi sono raffreddati o riscaldati”

9. JAMES PRESCOTT JOULE(1818-1889) Nel 1842, con un famoso esperimento, dimostrò l’equivalenza tra calore ed energia meccanica

11. SISTEMA TERMODINAMICO E’ un sistema fisico che può accumulare energia a livello microscopico (Energia interna) Con altri sistemi può scambiare energia sotto forma di • Lavoro meccanico • Calore

12. Lo stato di un sistema termodinamico è definito dal valore di alcuni parametri chiamati variabili di stato • Per i gas, ad esempio, le variabili di stato sono • pressione (p) • volume (V) • temperatura (T)

13. Uno stato di equilibrioè uno stato del sistema (cioè un insieme di valori delle variabili di stato) che non cambia finché non si interviene dall’esterno a modificarlo Un processo durante il quale si ha variazione di una o più variabili di stato si chiama trasformazione di stato

14. Una trasformazione si dice reversibilese passa solo attraverso stati di equilibrio Lo stato del sistema deve essere variato in modo “infinitamente” lento Una trasformazione reversibile può essere ripercorsa al contrario, ripassando per gli stessi stati

15. PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA E’ il principio di conservazione dell’energia per i sistemi termodinamici

16. SCHEMA DEI SEGNI DI LAVORO E CALORE SISTEMA

17. IRREVERSIBILITA’ DEI PROCESSI NATURALI Tutti i processi spontanei che implicano scambio di calore o trasformazione di energia meccanica in calore sono irreversibili Il Primo Principio della Termodinamica non è in grado di dare una giustificazione di questo fatto

18. SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA • Non è possibile realizzare una trasformazione che abbia come unico effetto il trasferimento di calore da un corpo più freddo ad uno più caldo (Clausius) • Non è possibile realizzare una trasformazione che abbia come unico effetto la completa conversione in lavoro di una certa quantità di calore sottratta ad una sorgente a temperatura uniforme (Kelvin)

19. SADI CARNOT (1796-1832) Nel 1824 pubblica Réflexions sur la puissance motrice du feu che contiene i risultati dei suoi studi sulle macchine termiche

20. MACCHINE TERMICHE Sono dispositivi che trasformano in lavoro meccanico parte del calore prelevato da una sorgente ad alta temperatura L’efficienza di una macchina termica è misurata dal suo rendimento:

21. Per poter produrre lavoro una macchina termica deve assorbire calore da una sorgente calda e cedere parte di questo calore ad una sorgente più fredda • Il rendimento di una macchina termica ha un limite, che dipende dalla differenza di temperatura fra le due sorgenti ma è indipendente dalla sostanza utilizzata • Tutte le macchine reversibili hanno lo stesso rendimento (il massimo possibile), mentre le macchine reali hanno sempre un rendimento più basso

22. T2 Q2 L Q1 T1

23. IL CICLO DI CARNOT Per sostenere le proprie affermazioni Carnot elaborò un ciclo reversibile mediante il quale si può ottenere il massimo lavoro disponendo di due sorgenti a temperatura fissata Il suo rendimento è

24. RUDOLF CLAUSIUS (1822-1888) Studiando il ciclo di Carnot capì che il punto di partenza per caratterizzare il “grado di reversibilità” di una trasformazione era la quantità

25. Se un sistema passa da uno stato iniziale A ad uno stato finale B, scambiando calore con un certo numero di sorgenti • la somma assume lo stesso valore per tutte le trasformazioni reversibili • per le trasformazioni irreversibili la somma risulta sempre minore che per le reversibili

26. 295 K 300 K

27. 300 K 300 K

28. 295 K 296 K

29. 296 K 296 K

30. 296 K 297 K

31. 297 K 297 K

32. 297 K 298 K

33. 298 K 298 K

34. 298 K 299 K

35. 299 K 299 K

36. 299 K 300 K

37. 300 K 300 K

38. TRASFORMAZIONE REVERSIBILE Poniamo il corpo nel forno a T1 = 295 K e poi aumentiamo la temperatura in modo continuo e molto lento fino a T2 = 300 K Risulta

39. ENTROPIA Alla quantità Clausius diede il nome di variazione di entropia tra lo stato iniziale e lo stato finale

40. Fissato il valore dell’entropia in uno stato A, il suo valore in un altro stato B è dato da • L’entropia è una grandezza estensiva

41. Poichè risultain generale Il segno > vale per trasformazioni irreversibili, il segno = vale per trasformazioni reversibili

42. Un sistema isolato non può scambiare calore con altri sistemi: Quindi, per sistemi isolati

43. ENUNCIATO MODERNO DEL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA In ogni sistema isolato l’entropia aumenta per le trasformazioni irreversibili e resta invariata per le trasformazioni reversibili

44. Esercizio: 1 Kg di acqua a 20°C viene mescolato con1 Kg di acqua a 80°C. Calcolare la variazione di entropia del sistema. Variazione di entropia dell’acqua che si scalda: Variazione di entropia dell’acqua che si raffredda: Variazione di entropia totale:

45. ESPANSIONE LIBERA DI UN GAS

46. ESPANSIONE LIBERA DI UN GAS

47. ESPANSIONE LIBERA DI UN GAS

48. B A 1 3 4 2

49. A B n P 4-0 1 2 3 4 1 1/16 3-1 1 2 3 1 2 4 1 3 4 2 3 4 4 3 2 1 4 1/4 2-2 1 2 1 3 1 4 2 3 2 4 3 4 3 4 2 4 2 3 1 4 1 3 1 2 6 3/8 1-3 1 2 3 4 2 3 4 1 3 4 1 2 4 1 2 3 4 1/4 0-4 1 2 3 4 1 1/16

50. DESCRIZIONE STATISTICA DEI SISTEMI STATO MACROSCOPICO: è definito da parametri macroscopici misurabili (numero di particelle in A e in B, non importa quali) STATO MICROSCOPICO: ognuna delle configurazioni microscopiche compatibili con un dato stato macroscopico (precisa da che parte sta ogni particella)