Termodinamica

Un sistema termodinamico è un sistema macroscopico ovvero è una porzione

di spazio materiale, separata dal resto dell‘universo termodinamico (ovvero dall‘

ambiente esterno) mediante una superficie di controllo.

La termodinamica descrive le trasformazioni subite da un sistema in

seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di materia ed energia

Termodinamica

Un sistema temodinamico può essere sede di trasformazioni interne e

scambi di materia e/o energia con l'ambiente esterno (ovvero tutto ciò che

è esterno al sistema che interagisce con esso).

AMBIENTE

SISTEMA

TRASFORMAZIONE

In pratica un sistema si trasforma quando passa da uno stato d'equilibrio

iniziale ad uno finale. L'ambiente rimane invece generalmente "inalterato"

Gli scambi di materia o energia possono avvenire sotto forma di calore o lavoro

Questi due concetti non sono delle proprietà intrinseche del sistema, ma sussistono

nel momento in cui esso interagisce con l'ambiente.

Termodinamica

AMBIENTE

SISTEMA

TRASFORMAZIONE

materia

energia sistema aperto

energia sistema chiuso

sistema isolato

Si possono distinguere vari tipi di sistemi, in dipendenza dal modo di

scambiare energia con l'esterno:

Termodinamica

sistemi aperti: scambiano energia e materia con l'ambiente.

sistemi chiusi: scambiano energia, ma non materia con l'ambiente.

sistemi isolati: non scambiano né energia né materia con l'ambiente;

Però quando un corpo caldo viene messo a contatto con un corpo freddo,

qualcosa fluisce dal corpo caldo verso quello freddo, aumentando la sua

energia, sino a raggiungere l’equilibrio termico.

Equilibrio termico

Cosa vuol dire equilibrio termico?

Qual è la grandezza che si può usare per

descriverlo?

Temperatura

Temperatura

Temperatura: indice dello stato termico di un corpo (caldo – freddo)

Indice dell’energia media associata ai moti microscopici della materia

GAS:

Energia cinetica

delle molecole

SOLIDI:

energia dei moti

vibrazionali del

reticolo cristallino

Il calore è l’energia trasferita tra due oggetti a causa della loro differenza

di temperatura

La misura della Temperatura è indiretta: ci si riduce cioè a misurare altre

grandezze fisiche, che da essa dipendono.

La più utilizzata è la dilatazione termica: Tutti i corpi mutano in varia misura le

loro dimensioni in seguito ad un cambiamento di temperatura.

Unità di misura caloria (cal) definita come l’energia necessaria per innalzare

da 14,5°C a 15,5°C la temperatura di 1 g di acqua distillata posta a livello del

mare (pressione di 1 atm).

Temperatura

unità di misura: S.I. grado Kelvin (K)

grado Celsius (°C)

grado Faranheit (°F)

0oC = Fusione del ghiaccio

100oC= Ebollizione dell’acqua

0K = “Zero Assoluto”

273,15 K= Fusione del ghiaccio

32oF = Fusione del ghiaccio

212oF=ebollizione dell’acqua

CELSIUS (°C) 0° 100° H2O

T (K) = t (°C) + 273,15°

t (°F) = 32° + (9/5)t (°C)

Trasmissione del calore

Se in un corpo esiste un gradiente di T, si ha flusso di energia

termica dalle zone ad alta T a quelle a bassa T.

CONDUZIONE PROPAGAZIONE senza TRASPORTO DI MATERIA

Trasmissione del calore

CONVEZIONE PROPAGAZIONE con TRASPORTO DI MATERIA

Trasmissione del calore

IRRAGGIAMENTO EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE

(RADIAZIONE TERMICA)

Ad esempio il sole trasferisce l’energia alla terra per

irraggiamento

• non richiede la presenza di un mezzo interposto

(quindi avviene anche nel vuoto)

• avviene alla velocità della luce

• tutti i corpi a temperatura superiore allo zero termico

emettono radiazione termica.

Assorbimento di calore

• Un sistema che assorbe calore Q reagisce innalzando la sua

TEMPERATURA

if TTCQ

• calore specifico (quantità di calore che deve essere fornita ad un 1gr

di sostanza per elevarne la temperatura di 1°) m

Cc

C capacità termica del sistema (quantità di calore che deve essere

fornita ad un corpo per elevarne la temperatura di 1°)

Sistemi a cui fornisco lo stesso calore Q si comportano diversamente

Dipende dalla struttura molecolare.

Trasformazioni di stato

Q = kfm T=cost

kf= calore latente di fusione

Il calore latente è la quantità di energia per unità di massa necessaria per

ottenere una transizione di fase di una sostanza a un’altra.

Q = kem T=cost

ke= calore latente di evaporazione

Un sistema può scambiare energia con l’ambiente mediante

Calore scambiato

Lavoro eseguito (dal sistema o dall’ambiente)

Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacità di compiere lavoro e

quindi aumentiamo la sua energia.

Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad

esempio comprimendo un gas o tirando una molla.

Joule (1850) mostrò come il Lavoro e il Calore

fossero convertibili l’uno nell’altro

equivalente termico del lavoro

J = L/Q = 4.18 joule cal–1

Lavoro e calore

Equivalenza

meccanica del calore

unità di misura: S.I. joule (J) C.G.S. erg

sistema pratico caloria (cal), Caloria

Caloria = calore necessario per innalzare da 14,5 a 15,5 oC la temp. di 1g d’acqua.

•Il calore è POSITIVO se va

DALL’AMBIENTE

ESTERNO AL SISTEMA S

+Q -Q

SAE TT SAE TT

Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa

un aumento della temperatura dell’acqua

Lavoro e calore

• Il lavoro è POSITIVO se va DAL SISTEMA ALL’AMBIENTE ESTERNO

S

-L +L

Lavoro e calore

Il Lavoro e’ energia ‘ordinata’ che puo’ essere utilizzata per sollevare un peso

nell’Ambiente. NON puo’ essere immagazzinata come Lavoro.

Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro.

Lavoro e calore

Il Calore e’ energia ‘disordinata’ che viene trasferita tra sistema e ambiente per

ristabilire l’equilibrio termico. NON puo’ essere immagazzinato come Calore.

Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato.

Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del processo in cui vengono trasferiti,

cosa diventano? L’evidenza sperimentale portava a concludere che ogni corpo

potesse immagazzinare l’energia internamente, senza trasformarla in energia

cinetica totale del corpo ponendolo in movimento.

La Termodinamica postula l’esistenza di una funzione U chiamata Energia Interna

Non era chiaro cosa fosse l’Energia Interna, e si dovette aspettare la meccanica

quantistica per capirlo. E’ la somma dell’Energia Cinetica e Potenziale Molecolare

(Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale

moto di agitazione termica Tparticella

energia di legame e potenziale Uparticella

energia interna

energia interna U = somma di tutte le energie cinetiche, di legame e

potenziali di tutte le particelle Energia cinetica

di traslazione

Energia cinetica

di rotazione

Energia di

legame

intermolecolare

Energia di

legame

intramolecolare

Energia

vibrazional

e

Energia interna

L’energia Interna PUO’ venire immagazzinata.

Esiste una Ui prima del processo e una Uf dopo il

processo.

Esiste quindi un DU = Uf - Ui

U e’ una funzione di stato

U si comporta come una “banca”.

Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di energia.

Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo

Energia interna

L’Energia interna U e’ una funzione di Stato. La termodinamica ci assicura che

DEVE essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamiche come

per esempio:

U = U(p,V,T)

Supponiamo che le pareti del cilindro e il pistone siano perfettamente isolanti, mentre la

base del cilindro sia un conduttore di calore.

Il gas assorbe dall’ambiente esterno una quantità di calore Q

e, conseguentemente, la sua energia interna aumenta di una

quantità:

∆U=Q

Nell’espansione, il gas compie un lavoro L sull’ambiente esterno

e, conseguentemente, la sua energia interna diminuisce di una

quantità:

∆U=L

La variazione totale di energia interna del gas sarà dunque:

∆U=Q-L

I° principio della termodinamica

AMBIENTE

SISTEMA

+ q - q

- L + L

q = calore

+ q: l’ambiente cede calore al

sistema

- q: il sistema cede calore

all’ambiente

L = lavoro

- L: l’ambiente compie lavoro sul

sistema

+ L: il sistema compie lavoro

sull’ambiente

I° principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia può passare da una

forma un’altra, ma non può essere né creata né distrutta; è il principio di

conservazione dell’energia, che vieta il moto perpetuo.

• Calore, lavoro e energia interna sono mutuamente convertibili.

I° principio della termodinamica

ISOCORA (a volume costante)

QLQU D

Essendo V costante, dV=0

ADIABATICA: Q=0

Df

i

V

VPdVLLQU