Termodinamica: Sistemi e Proprietà

Termodinamica: Introduzione

• La termodinamica studia gli scambi di calore tra sistemi e ambiente, concentrandosi sulla trasformazione dell'energia (calore in lavoro e viceversa) e gli scambi di energia tra sistemi interagenti.

Sistemi termodinamici

• Un sistema termodinamico è una porzione finita di spazio definita da un contorno, reale o immaginario, fisso o mobile.
• L'ambiente è tutto ciò che non fa parte del sistema nell'universo.
• Esistono tre tipi di sistemi:
  • 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.

Proprietà di un sistema

• Le proprietà di un sistema includono Volume (V), Pressione (p), Temperatura (T) e Massa (m).
• Le proprietà si dividono in:
  • Intensive: indipendenti dalla massa (es. pressione, densità).
  • Estensive: dipendenti dalla massa (es. volume, energia totale).
• Le proprietà estensive possono essere convertite in intensive dividendo per la massa o il numero di moli, ottenendo grandezze massiche o molari.

Massa e Volume

• La massa è una grandezza fisica che misura la quantità di materia in un corpo e ne determina il comportamento dinamico.
• Il volume è una grandezza fisica estensiva che misura lo spazio occupato da un corpo in metri cubi (m³).
• Il volume massico (v = V/m) è l'inverso della densità e la densità è definita come p = m/V.
• Il peso specifico (y) è il peso per unità di volume di una sostanza (y = p.g, dove g è l'accelerazione gravitazionale).

Pressione

• La pressione è una grandezza fisica intensiva definita come il rapporto tra la forza ortogonale esercitata su una superficie e l'area della superficie stessa: p = F/S.
• Le unità di misura della pressione sono:
  • Pascal (Pa): unità SI, 1 Pa = 1 N/m².
  • Bar: 1 bar = 10^5 Pa.
  • Atmosfera (Atm): 1 Atm = 1013,25 hPa.

Principio di Pascal

• La pressione esercitata su un fluido confinato si trasmette uniformemente in tutto il fluido e sulle pareti del recipiente.

Dispositivi di Misurazione della Pressione

• Barometro: Misura la pressione esterna tramite l'altezza di una colonna di mercurio. Per esempio, pressione esterna= densità x altezza x gravità, Pex= p-h-g
• Manometro: Misura la differenza di pressione tra un gas e l'ambiente esterno: P2= PEX + p-h-g.

Temperatura

• La temperatura è una grandezza intensiva legata alla quantità di calore e all'agitazione delle particelle a livello microscopico.
• L'equilibrio termico si raggiunge quando non c'è scambio netto di energia tra due corpi a contatto.
• Principio zero della termodinamica: se due corpi (A e B) sono in equilibrio termico con un terzo corpo (C), allora A e B sono in equilibrio termico tra loro.

Scale di Temperatura

• Le scale principali sono Celsius (°C), Fahrenheit (°F) e Kelvin (K).
• Conversione tra Celsius e Fahrenheit: T(F) = T(°C) × 1.8 + 32.
• Conversione tra Celsius e Kelvin: T(K) = T(°C) + 273.15.

Scala Kelvin

• Nel Sistema Internazionale, l'unità di temperatura è il Kelvin (K).
• Lo zero della scala Kelvin corrisponde allo zero assoluto: 0 K = -273,15°C.

Sistema Internazionale (SI)

• Il SI comprende sette unità fondamentali:
  • Lunghezza: metro (m).
  • Massa: chilogrammo (kg).
  • Tempo: secondo (s).
  • Temperatura: kelvin (K).
  • Corrente elettrica: ampere (A).
  • Quantità di luce: candela (cd).
  • Quantità di materia: mole (mol).

Grandezze Derivate

• Le grandezze derivate si ottengono combinando le grandezze fondamentali e comprendono area, volume e densità.

Energia Meccanica

• L'energia meccanica è la somma dell'energia potenziale e cinetica di un sistema.
• Il lavoro è lo scambio di energia meccanica tra due sistemi.
• Energia cinetica (EK): energia associata al moto di un corpo, EK = (1/2)mv².
• Energia potenziale (EP): energia associata alla posizione di un corpo in un campo di forze, EP = mgz.

Lavoro

• Il lavoro è l'energia trasferita da un sistema a un altro, equivalente alla forza applicata per lo spostamento risultante.
• W = ∫ F ds
• Se la forza è costante: W = F · S.
• L'unità di misura del lavoro è il chilo-Joule (kJ).

Lavoro di Variazione di Volume

• Associato alla compressione o espansione di un gas in un sistema cilindro-pistone.
• dL = FdS = pAdS = pdV
• Lv = ∫ pdV (J)

Lavoro di Variazione di Superficie

• Il lavoro per allargare la superficie di un fluido di un infinitesimo dA.
• Wsuperficie = ∫ γ dA

Lavoro non Meccanico

• Lavoro elettrico: associato al movimento di elettroni in un campo elettrico.
• Lavoro magnetico: associato allo spostamento di un corpo in un campo magnetico.
• Lavoro di polarizzazione elettrica: relativo a forze elettrostatiche.

Trasferimento di Calore

• Il calore è energia trasferita tra sistemi o tra un sistema e l'ambiente a causa di una differenza di temperatura (Q ∝ ΔT).
• Il simbolo Q indica il flusso di calore.
• Se il trasferimento di calore è costante: Q = ◊ ΔΤ
• Se il trasferimento di calore non è costante: Q = ∫ Q dT

Trasformazioni Adiabatiche

• Sono trasformazioni senza scambio di calore tra sistema e ambiente.

Cenni Storici sul Calore

• Nel XIX secolo, il calore era considerato un fluido invisibile chiamato "calorico".
• La teoria cinetica tratta le molecole come sfere in movimento con energia cinetica.
• Il calore è legato al movimento casuale di atomi e molecole.

Meccanismi di Trasferimento di Calore

• Conduzione: trasferimento di energia attraverso un gradiente termico in un mezzo stazionario.
• Convezione: trasferimento di calore tra una superficie e un fluido in movimento a temperature diverse.
• Irraggiamento: tramite emissione di onde elettromagnetiche.

Energia Interna

• L'energia interna è la somma di tutte le energie che caratterizzano un sistema, tra cui:
  • Energia sensibile: associata all’energia cinetica delle molecole.
  • Energia latente: associata ai cambiamenti di fase.
  • Energia chimica: associata ai legami atomici.
  • Energia nucleare: associata ai legami all'interno dell'atomo.
• Energia termica = sensibile + latente.
• Energia interna = sensibile + latente + chimica + nucleare.

Stato ed Equilibrio

• Lo stato è l'insieme dei valori che caratterizzano un sistema (pressione, volume, temperatura).
• L'equilibrio termodinamico si ha quando i parametri del sistema sono stazionari nel tempo.
• Tipi di equilibrio:
  • Termico: temperatura uniforme.
  • Meccanico: pressione uniforme.
  • Di fase: massa di ogni fase costante.
  • Chimico: composizione chimica costante.

Postulato di Stato

• Un sistema semplice comprimibile (senza effetti elettrici, magnetici, gravitazionali, cinetici o di tensione superficiale) è definito da due variabili indipendenti.

Variabili e Funzioni di Stato

• Lo stato di un gas è definito da pressione (p), volume (V) e temperatura (T).
• Una funzione di stato descrive lo stato del sistema dipendendo solo dallo stato iniziale e finale (es. energia interna U).

Trasformazioni di Equilibrio

• Per graficare uno stato, è necessario considerare una successione di trasformazioni all'equilibrio, con variazioni quasi-statiche delle variabili.
• Un processo è un cambiamento che porta il sistema da uno stato di equilibrio a un altro.

Trasformazioni Iso-

• Iso- indica che una proprietà rimane costante:
  • Isotermico: temperatura costante.
  • Isobarico: pressione costante.
  • Isocoro (isometrico): volume costante.

Prima Legge della Termodinamica

• Riformulazione della legge di conservazione dell'energia.
• In un sistema isolato, l'energia si trasforma ma non si crea né si distrugge.
• Bilancio energetico: ΔEsistema.
• Per sistemi chiusi: Q - W = ΔU (variazione di energia interna = calore assorbito - lavoro compiuto).

Espressione Differenziale della Prima Legge della Termodinamica

• Per trasformazioni all'equilibrio con stati quasi statici: du = dQ - dW.

Ciclo Termodinamico

• Un processo in cui il sistema parte da uno stato iniziale, subisce trasformazioni e ritorna allo stato iniziale.
• In un ciclo termodinamico: Qnet = Wnet (ΔU = 0).