TERMODINAMICA - ULTIMO.pdf · - Stato e trasformazione termodinamica - Energia interna-Calore e calore specifico - Lavoro in termodinamica - I° e II° principio della termodinamica

Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica

ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO - Intro+Termodinamica A+B

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elio girolettielio giroletti

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAdip. Fisica nucleare e teorica

via Bassi 6, 27100 Pavia, Italytel. 0382/98.7905 - [email protected] - www.unipv.it/webgiro

TERMODINAMICATERMODINAMICA

FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONEFISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONEelio giroletti, 2005elio giroletti, 2005

corso integrato corso integrato FISICA, STATISTICA e INFORMATICAFISICA, STATISTICA e INFORMATICA

disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONEdisciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE

Classe LaureeClasse Laureedidi INFERMIERISTICA e OSTETRICIAINFERMIERISTICA e OSTETRICIA



- CONCETTI GENERALI, parte I+II - PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA - STATO GASSOSO - BILANCIO TERMICO

lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti



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- Concetti generali - Temperatura- Stato e trasformazione termodinamica- Energia interna-Calore e calore specifico

- Lavoro in termodinamica- I° e II° principio della termodinamica


Parte I + IIParte I + II



- Principi generali Principi generali -- TemperaturaTemperatura-- Stato e trasformazione termodinamicaStato e trasformazione termodinamica-- Energia internaEnergia interna--Calore e calore specifico Calore e calore specifico

-- Lavoro in termodinamicaLavoro in termodinamica- I° e II° principio della termodinamica

Parte IParte I


CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B

N = 6,02 1023o

formulazione fenomenologicaformulazione statistica

SISTEMA TERMODINAMICO [macrostato]STATO TERMODINAMICO

TEMPERATURATEMPERATURA

Parametri termodinamiciParametri termodinamici• Temperatura, pressione, volume e stato aggregazione• Quantità calore, energia interna, entropia, energ. libera

Sistema termodinamico: Sistema termodinamico: isolato da una isolato da una superficie (reale o virtuale)superficie (reale o virtuale)



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indice dello stato termico di un corpo(caldocaldo –– freddofreddo)correlazione con altre grandezze fisiche:

(dilatazione)(dilatazione)V(t) = Vo (1 + α t)

termometrih(t) = ho + (1+αt)

°C

0°

50°

100° 41°

36°37°38°39°40°

42°

grandezza fondamentale grandezza fondamentale

termometro clinicotermometro clinico((ttMAXMAX si conserva)si conserva)

2 corpi a contattoe isolati raggiungonola stessa temperatura

22 corpi a corpi a contattocontattoe e isolatiisolati raggiungonoraggiungonola la stessastessa temperaturatemperatura

esistono altri sistemi, esistono altri sistemi, eses.:.:•• resistenza resistenza R=RR=R00(1+(1+αα∆∆T)T)•• IR IR (pi(piùù preciso)preciso)


scale di temperaturascale di temperatura

CELSIUS, CELSIUS, °°CC ⇒⇒ tt0° - 100° H2O

t

KELVIN, KELVIN, °°KK ⇒⇒ T T

0°

100°200°

300°

400°

°K

T

373°

273° T(°K) = t(°C) + 273°

–273°–200°

–100°

100°

200°

°C

0°

–273°

scale centigrade

FAHRENHEITFAHRENHEIT95

t (°F) = 32° + t (°C)

EQUILIBRIO TERMICO ∆t ≡ ∆T = 0

–459.4°

–328°–148°32°

212°

°F


°°K, SI: misura temperatura termodinamicaK, SI: misura temperatura termodinamica

CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B1

N = 6.02 1023o

scambioscambio

SISTEMA ISOLATOSISTEMA ISOLATOSISTEMA CHIUSOSISTEMA CHIUSO

no materia no materia -- no energiano energiano materia no materia -- si energiasi energia

EQUILIBRIO (DINAMICO):parametri termodinamici costanti nel tempo

microstato noti tutti i parametri delle particelle che compongono il sistema termodinamico


Sistema termodinamico: Sistema termodinamico: isolato da una superficie isolato da una superficie (reale o virtuale)(reale o virtuale)



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TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHETRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE

CHIUSA parametri termodinamici tornano ai valori iniziali

APERTA parametri termodinamici nonnon tornano ai valori iniziali

REVERSIBILE successione stati di equilibrio (trasformazione ideale)

ISOTERMA a temperatura costante

IRREVERSIBILE successione stati nonnon di equilibrio (trasformazione reale)

ISOCORA a volume costante (detta isometrica)ISOBARA a pressione costanteADIABATICA sistema termicamente isolato

(niente scambio di calore, ∆Q=0)TRASFORMAZIONI DI STATOPROCESSI CHIMICI, BIOCHIMICI


ENERGIA INTERNAENERGIA INTERNA U

moto di agitazione termica Tparticella

energia di legame e potenziale Uparticella

energia interna Ufunzione di stato

U = + Uparticella )(Tparticella∑particelle

dipende da parametri termodinamici dipende da parametri termodinamici volume, temperatura, pressione e stato aggregazione


CALORECALORE

temperatura t,T: indice stato termico di un corpocalore Q: forma di energia

Q = quantitQ = quantitàà di calore di calore travaso energia interna tra corpitravaso energia interna tra corpi

unità di misura pratica: caloria (cal)1 g H2O 14,5°C 15,5°C1000 cal = 1 kcal = 1 Cal

se se ilil calorecalore èè energiaenergia, , ilil lavorolavoro meccanicomeccanico puòpuò produrreprodurre calorecalore??



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CALORECALORE

•• equivalente termico del lavoro, Jequivalente termico del lavoro, J•• equivalente meccanico della caloria, J equivalente meccanico della caloria, J

J = LQ = 4,186 joule cal–1

L = J Q(caloria) L = Q(joule)princprinc. equivalenza. equivalenza

lavorolavoro--calorecalore

Foto

: G

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oli,

Ed. A

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000

Un birraio inglese, Prescott Joule (1818-1889), fece un esperimento sull’equivalente meccanico del calore: il calore, come il lavoro, è trasferimento di energia


CALORE SPECIFICOCALORE SPECIFICO 1

Q = c m (t2 – t1) = c m ∆t

calore specificocalore specifico capacità termica

c = Qm (t2 – t1)

[cal g–1 °C–1]

sperimentalmente, a pressione e volumi costanti sperimentalmente, a pressione e volumi costanti

c = c(t)c = c(t)

HH22O:O: c(14,5°C) = 1 cal g–1 °C–1

Corpo umano:Corpo umano: = 0,83 cal g–1 °C–1

lontanolontano dadacambiamenticambiamenti di di statostato


LAVORO in TERMODINAMICA

convenzione generale

LAVORO COMPIUTO DALDAL SISTEMA: positivopositivoLAVORO COMPIUTO SULSUL SISTEMA: negativonegativo

L = p L = p xx S S xx h = p h = p xx ∆∆VV

F=pS

h

gas

trasformazione isocora L=0



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- Principi generali - Temperatura- Stato e trasformazione termodinamica- Energia interna-Calore e calore specifico

- Lavoro in termodinamica-- II°° e IIe II°° principio della termodinamica principio della termodinamica

Parte IIParte II



ENERGIA INTERNAENERGIA INTERNA U

moto di agitazione termica Tparticella

energia di legame e potenziale Uparticella

energia interna Ufunzione di stato

U = + Uparticella )(Tparticella∑particelle

dipende da parametri termodinamici dipende da parametri termodinamici volume, temperatura, pressione e stato aggregazione


II°° PRINCIPIOPRINCIPIO della TERMODINAMICAdella TERMODINAMICA

1U = funzione di stato energia interna

TRASFORMAZIONE CHIUSA:TRASFORMAZIONE CHIUSA: ∆U = 0TRASFORMAZIONE APERTA:TRASFORMAZIONE APERTA: ∆U = U2 – U1 ≠ 0

PRINCIPIO di CONSERVAZIONE PRINCIPIO di CONSERVAZIONE dell'ENERGIAdell'ENERGIA

II°° PRINCIPIO TERMODINAMICAPRINCIPIO TERMODINAMICA∆∆U = JQ U = JQ –– LL

*

scambiati con esternoscambiati con esterno



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IIII°° PRINCIPIO della TERMODINAMICAPRINCIPIO della TERMODINAMICA

I° PRINCIPIO conservazione energia

non tutte le trasformazioni di energia sono ammesse

U non dà indicazione sul verso in cui un processo termodinamico procede spontaneamente

II° PRINCIPIO

limitazioniL Q sempre possibileL Q sempre possibileQ L impossibile con una sola sorgenteQ L impossibile con una sola sorgente


enunciati equivalentienunciati equivalenti

KelvinKelvin non esiste macchina termica che trasformi calore in lavoro meccanico con un soloun solo termostato(cioè servono almeno due termostati)

ClausiusClausius non esiste trasformazione in cui calore passa da termostato freddo a termostato caldo spontaneamentespontaneamente(senza lavoro compiuto dall'esterno)

IIII°° PRINCIPIO della TERMODINAMICAPRINCIPIO della TERMODINAMICA

η =rendimento= lavoro utile /calore = L/Q η <100%

entropia = entropia = ∆∆S= S= ∆∆Q/T (aumenta sempre)Q/T (aumenta sempre)


MACCHINE E CALOREMACCHINE E CALORE

η =rendimento= lavoro utile /calore = L/Q η <100%

•• Trasferimento calore in lavoro meccanico, Trasferimento calore in lavoro meccanico, es. treno a vapore, es. treno a vapore, ηη <100% <100%

•• TrasfTrasf. Energia meccanica in altra forma di . Energia meccanica in altra forma di energia (es. chimica) in lavoro, es. cascataenergia (es. chimica) in lavoro, es. cascata--energia energia elettricaelettrica--pompapompa, , ηη <100% <100%

•• TrasfTrasf. energia meccanica (o elettrica) in calore. energia meccanica (o elettrica) in calore•• es. dighees. dighe--elettricitelettricitàà--calore, calore, ηη =100% (=100% (teorteor.) .)

TRE TIPI DI MACCHINETRE TIPI DI MACCHINE



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SISTEMI ISOLATISISTEMI ISOLATI•• entalpia = entalpia = ∆∆H = p H = p ∆∆V+ V+ ∆∆UU•• entropia = entropia = ∆∆S = S = ∆∆Q /T (aumenta sempre) Q /T (aumenta sempre) •• energia libera di energia libera di GibssGibss = G = H = G = H –– TSTS•• reazione reazione esotermicaesotermica: cede calore : cede calore •• reazione endotermica: assorbe calorereazione endotermica: assorbe calore•• reazione reazione esoergonicaesoergonica:: ∆∆G G <<0 0 •• reazione reazione endoergonicaendoergonica:: ∆∆G G >>0 0

Sistemi isolati, ∆U=0• -∆S <0, entropia aumenta sempre

Sistemi isolati, Sistemi isolati, ∆∆U=0, isotermi e isobariU=0, isotermi e isobari•• es.: processi biochimici es.: processi biochimici •• ∆∆G G ≤≤ 00, energia libera diminuisce sempre , energia libera diminuisce sempre


SISTEMI ISOTERMI e ISOBARI (∆T = 0 , ∆p = 0)

∆G < 0 G tende ad un minimoG tende ad un minimo

(II(II°° PRINCIPIO TERMODINAMICA)PRINCIPIO TERMODINAMICA)

∆S ≥ JQT irr JQ ≤ T ∆S

L + ∆U = JQ (I(I°° PRINCIPIO TERMODINAMICA)PRINCIPIO TERMODINAMICA)

p ∆V + ∆U = JQ = ∆H ∆H – JQ = 0 ∆H – T ∆S ≡ ∆G ≤ 0

G = H – T S = energia libera di Gibbs∆G < 0 PROCESSO ESOERGONICO∆G > 0 PROCESSO ENDOERGONICO

∆G ≤ 0

processi biochimici



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