il primo principio della termodinamica · tratto da: i problemi della fisica - cutnell , johnson,...
TRANSCRIPT
![Page 1: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/1.jpg)
T R AT TO DA :I P ro 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
Fo n d a m e n t i d i f i s i c a 1 – H a l l i d ay, Re 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
I n t e g ra z i o n i e LO a c u ra d e l d o c e n t e
IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
![Page 2: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/2.jpg)
DI COSA SI OCCUPA LA TERMODINAMICA?La termodinamica è la parte della fisica che analizza le leggi fondamentali che coinvolgono il calore e illavoro.
![Page 3: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/3.jpg)
SISTEMA E AMBIENTELe pareti che separano il sistema dall’ambiente si dividono in
pareti diatermiche:
pareti che si lasciano attraversare dal
calore
pareti adiabatiche:
pareti isolanti, che impediscono qualsiasi
scambio di calore tra il sistema e il suo
ambiente
![Page 4: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/4.jpg)
SCAMBI TRA SISTEMA E AMBIENTEGli 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.
![Page 5: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/5.jpg)
SISTEMA TERMODINAMICO IDEALESISTEMA = Gas nel cilindro
AMBIENTE = pareti esterne del cilindro, pistone e fornello
Aumento dell’energia di sistema:
con il fornello acceso, il sistema riceve energiadall’esterno sotto forma di calore
se il pistone viene abbassato, il sistema riceve energiasotto forma di lavoro compiuto da una forza esterna.
![Page 6: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/6.jpg)
GLI SCAMBI DI ENERGIA TRA UN SISTEMA E L’AMBIENTE
![Page 7: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/7.jpg)
LE PROPRIETÀ DELL’ENERGIA INTERNA DI UN SISTEMA
DATI FORNITI:𝑉𝑉 = 2,5 𝑑𝑑𝑑𝑑3 (da trasformare)𝑇𝑇 = 15°𝐶𝐶 (da trasformare)𝑝𝑝𝑖𝑖 = 1,2 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑑𝑑 (da trasformare)𝑝𝑝𝑓𝑓 = (1,2 � 0,7) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑑𝑑 (da trasformare)
DATI DA DETERMINARE:
𝑁𝑁 =?
∆𝑈𝑈 =?
![Page 8: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/8.jpg)
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICASe due sistemi sono individualmente in equilibrio termico con un terzo sistema, essi sono in equilibriotermico tra di loro.
![Page 9: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/9.jpg)
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Quando l’energia interna di un sistema comporta una variazione ∆U a
causa di uno scambio di calore Q e di un lavoro L, vale la relazione:
∆𝑈𝑈 = 𝑄𝑄 − 𝐿𝐿
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
Riduzione dell’energia
interna
![Page 10: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/10.jpg)
LAVORO POSITIVO E NEGATIVO
![Page 11: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/12.jpg)
TRASFORMAZIONI REALI E TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE
TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE REALI
![Page 13: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/13.jpg)
TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHEL’equilibrio termodinamico comprende tre tipi diversi di equilibrio
1. Equilibrio meccanico(la risultante delle forze che agiscono sul pistone deve essere nulla).2. Equilibrio chimicola struttura interna e la composizione chimica del sistema devono rimanere inalterate.3. Equilibrio termicola temperatura deve essere uniforme in tutto il fluido.
![Page 14: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/14.jpg)
TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHEUna 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.
![Page 15: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/15.jpg)
TRASFORMAZIONE ISOCÒRASe si riscalda un gas mantenendolo a volume costante, il primo principio della termodinamica si
riduce alla semplice uguaglianza:
∆𝑈𝑈 = 𝑄𝑄
poiché il gas non compie lavoro (L = 0) e il calore assorbito dal gas va ad aumentare la sua
energia interna.
![Page 16: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/16.jpg)
TRASFORMAZIONE ADIABATICAIn 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) - per espandersi
il gas compie un lavoro (dal sistema sull’ambiente) e il primo principio della termodinamica si
riduce all'uguaglianza:
∆𝑈𝑈 = −𝐿𝐿
![Page 17: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/17.jpg)
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:
∆𝑈𝑈 = 0
𝑄𝑄 = 𝐿𝐿
La stessa relazione vale per le trasformazioni cicliche, in cui il sistema dopo la trasformazione torna allo
stato iniziale.
![Page 18: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/18.jpg)
APPLICAZIONESi 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.
![Page 19: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/19.jpg)
TRASFORMAZIONE ISOBARAUna trasformazione si dice isobara quando avviene a pressione costante.
In queste trasformazioni il lavoro si esprime come prodotto dellapressione costante per la variazione di volume
𝐿𝐿 = 𝐹𝐹 � 𝑠𝑠 ⇒ 𝐿𝐿 = 𝑝𝑝 � ∆𝑉𝑉
Rappresentazione nel piano di Clapeyron
![Page 20: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/20.jpg)
TRASFORMAZIONE ISOBARA
𝑄𝑄 = 𝑐𝑐𝑑𝑑∆𝑇𝑇
![Page 21: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/21.jpg)
APPLICAZIONEUn 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?
![Page 22: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/22.jpg)
TRASFORMAZIONE ISOCORA
Una trasformazione isocora è una trasformazione che avviene a volumecostante.
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 il lavoro è nullo (vedi
rappresentazione nel piano di Clapeyron)
L = 0
∆𝑈𝑈 = 𝑄𝑄
![Page 23: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/23.jpg)
APPLICAZIONEUna 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
![Page 24: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/24.jpg)
TRASFORMAZIONE CICLICAUna trasformazione è detta ciclica quando lo stato iniziale e lo stato finale coincidono.
![Page 25: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/25.jpg)
ESPANSIONE O COMPRESSIONE ISOTERMAIn questa trasformazione la
pressione e il volume sono
variabili e dipendono l’una
dall’altro. Il lavoro è comunque
espresso numericamente all’area
compresa sotto la curva del
grafico:
![Page 26: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/26.jpg)
ESPANSIONE O COMPRESSIONE ADIABATICALa figura mostra una situazione in cui n moli di un gas perfetto
compiono un lavoro in condizioni adiabatiche, espandendosi
quasi-staticamente da un volume iniziale Vi a un volume finale
Vf. Il cilindro è circondato da un materiale isolante che
impedisce qualsiasi flusso di calore e quindi Q = 0 J.
![Page 27: IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA · TRATTO DA: I Problemi Della Fisica - Cutnell , Johnson, Young, Stadler – Zanichelli editore. Fondamenti di fisica 1 – Halliday , Resnic](https://reader030.vdocumenti.com/reader030/viewer/2022021802/5b5a82ff7f8b9ab8578c0f92/html5/thumbnails/27.jpg)
Trasformazioni termodinamiche