Termodinamica - riassunto ordinato sulla temodinamica PDF

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riassunto ordinato sulla temodinamica...

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Laurea Triennale in Scienze strategiche e della sicurezza Università di Enna Kore

LA TERMODINAMICA Letteralmente termodinamica significa "moto del calore" e, è quella branca della fisica che descrive le trasformazioni subite da un sistema (sia esso naturale o costruito dall’uomo), in seguito ad un processo di scambio di energia con altri sistemi o con l'ambiente esterno. Dunque, un sistema termodinamico è una porzione di spazio, separata dal resto dell’universo (cioè dall’ambiente esterno), mediante una superficie di controllo (questa superficie può essere reale o immaginaria, rigida o deformabile), in cui avvengono processi che permettono trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno. Un sistema termodinamico, a seconda delle interazioni che può avere o no con i corpi che lo circondano (cioè con l'ambiente circostante), può essere: -aperto → se può scambiare sia materia che energia; -chiuso → se può scambiare solo energia; -isolato → se non può scambiare né materia né energia. Inoltre, un sistema termodinamico è completamente definito quando si conoscono le variabili termodinamiche che sono: ‘’Le variabili termodinamiche possono essere intensive se sono indipendenti dalla quantità di materia o estensive che sono proporzionali alla quantità di materia’’. -La pressione → è una grandezza scalare intensiva definita come il rapporto tra il modulo della forza agente ortogonalmente su una superficie e l'area della superficie; -Il volume → è la misura dello spazio occupato da un corpo. L'unità adottata dal Sistema Internazionale è il metro cubo, Dunque, è una variabile estensiva, cioè in un sistema complessivo di due corpi è la somma dei loro rispettivi vol; -La temperatura → è un concetto molto antico, già dai tempi antichi si era provato a descriverla in termini scientifici, ma fu solo grazie all'invenzione del termometro che si poté fare le prime stime numeriche sul suo valore : è una variabile intensiva che permette di stabilire se un corpo è in equilibrio termico con un altro;

-Il numero di moli → variabile estensiva è il numero di molecole per ogni tipo di componente chimico puro che costituiscono il sistema. Per evitare di usare una unità troppo grande si normalizza tale numero alla costante di Avogadro che vale circa 6,022x 1023 , ed è indicata con il simbolo N A . Il rapporto tra il numero di molecole e la costante di Avogadro viene chiamato numero di moli e viene in genere indicato con n e il suo simbolo è mol. La mole è una delle sette unità di misura fondamentali del Sistema internazionale ed è definita come la quantità di sostanza di un sistema che contiene un numero di entità pari al numero degli atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12.

Lo stato della materia Le variabili termodinamiche non sono tra loro indipendenti, in quanto, dipendono dalla natura della sostanza che, può essere solida, liquida o gassosa.

Come rappresentato dall’immagine che precede, si denota che, in base al modo in cui le molecole sono legate tra di loro in un sistema termodinamico si ha: -stato gassoso → dove le molecole sono molto lontane e interagiscono solo con il contenitore; -stato liquido → dove le molecole sono lontane ma interagiscono sia tra di loro che con il contenitore; -stato solido → le molecole interagiscono fortemente tra di loro.

Transizione di fase o cambiamento di stato Il processo in cui una sostanza passa da uno stato fisico ad un altro è noto come transizione di fase o cambiamento di stato. Si distinguono diversi tipi di cambiamento di stato, i quali sono: solido → liquido = fusione;

solido → gas = sublimazione; liquido → solido = solidificazione; liquido → gas = evaporazione; gas → liquido = liquefazione. Al fine che il passaggio di stato si possa verificare, qualunque esso sia, è necessario che al corpo venga fornito o sottratto calore, altrimenti il passaggio di stato non può verificarsi. La trasmissione di calore può avvenire per:

-Conduzione termica: si verifica quando la temperatura delle molecole presenti in una sostanza aumenta, provocando una vibrazione vigorosa. Le molecole si scontrano con le molecole circostanti, facendole vibrare, determinando il trasporto di energia termica nella parte vicina dell'oggetto. Dunque, ogni volta che due oggetti sono in contatto diretto tra loro, ci sarà un trasferimento di calore dall'oggetto più caldo a quello più freddo, dovuto alla conduzione. Inoltre, gli oggetti che consentono al calore di spostarsi facilmente attraverso di essi sono chiamati conduttori; -Convenzione termica: si verifica solo nei fluidi. Il fluido allude a qualsiasi sostanza, le cui molecole si muovono liberamente da un luogo a un altro, come liquidi e gas. Ciò può accadere naturalmente o addirittura con forza; -Radiazione termica: si riferisce al movimento del calore nelle onde, in quanto non ha bisogno di molecole per attraversare. Non è necessario che l'oggetto sia in contatto diretto tra loro per trasmettere calore. In questo processo, l'energia viene trasmessa attraverso onde elettromagnetiche chiamate come energia radiante. Gli oggetti caldi generalmente emettono energia termica in ambienti più freddi. L'energia radiante è in grado di viaggiare nel vuoto dalla sorgente all'ambiente più fresco. Il miglior esempio di radiazione è l'energia solare che otteniamo dal sole, anche se è a miglia di distanza da noi.

I principi della termodinamica

I principi della termodinamica, enunciati nel corso del XIX secolo, regolano le trasformazioni termodinamiche, il loro svolgersi, ed i loro limiti. Si possono distinguere tre principi di base più un principio (detto principio zero), che definisce la temperatura, e che è implicito negli altri tre. -PRINCIPIO ZERO: Il principio zero della termodinamica (detto talvolta zeresimo principio della termodinamica) stabilisce che, se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B, e il corpo B è a sua volta in equilibrio termico con un altro corpo C, allora A è senz'altro in equilibrio termico con il corpo C.

Per esempio, ipotizziamo di misurare con un termometro la temperatura di un corpo A, e di ottenere un valore di 30° C. Ciò significa che, se il termometro inizialmente era azzerato, ora si è instaurato un equilibrio termico tra i due corpi; sia A che il termometro si trovano infatti alla temperatura di 30°C. Se il termometro viene messo in contatto con un corpo B e la sua temperatura non varia, significa che il termometro è in equilibrio termico anche con B; di conseguenza anche il corpo B avrà una temperatura di 30°C. Possiamo concludere che i corpi A e B sono in equilibrio termico tra loro.

-PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Il primo principio della termodinamica (anche detto legge di conservazione dell’energia), afferma che l'energia di un sistema termodinamico non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma a un'altra. Per formulare il primo principio correttamente si stabilisce convenzionalmente che una quantità di calore Q è positiva se è assorbita dal sistema in esame, mentre è negativa se viene ceduta; un lavoro W è positivo se è fatto dal sistema, negativo se viene fatto sul sistema. In base al primo principio affinché si abbia variazione dell’energia interna di un sistema, questo deve scambiare energia con l’esterno. Ogni scambio di energia fra un sistema e l’esterno avviene tramite lavoro o per passaggio di calore.

Possiamo cosi affermare: che un sistema può variare il proprio contenuto di energia solo attraverso scambi di calore e di lavoro con l’ambiente.

Q=calore - W=lavoro ∆U=rappresenta l’energia interna del sistema collegata alla energia cinetica media delle molecole -SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Sappiamo che il primo principio della termodinamica è di fatto la legge di conservazione dell’energia per i processi termodinamici, però non è in grado da solo di fornire un quadro completo della termodinamica. Infatti, esso ci dice in che modo è possibile convertire una forma di energia in un’altra, senza porre alcun limite. Eppure esistono fenomeni che pongono limitazioni evidenti alla trasformazione di energia. Il secondo principio della termodinamica è proprio la legge che affronta il problema della direzionalità temporale degli eventi. Esso afferma che è impossibile realizzare una macchina ciclica che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo freddo a uno caldo (enunciato di Clausius) o, equivalentemente, che è impossibile costruire una macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto da una sola sorgente (enunciato di Kelvin). -TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Il terzo principio della termodinamica è strettamente legato al secondo, e in alcuni casi è considerato come una conseguenza di quest'ultimo. Può essere enunciato dicendo che è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di trasformazioni e fornisce una precisa definizione di una grandezza chiamata entropia. L'entropia si può pensare come la misura di quanto un sistema sia vicino allo stato di equilibrio, o in modo equivalente come la misura del grado di disordine di un sistema. Il terzo principio afferma che l'entropia, cioè il disordine, di un sistema isolato non può diminuire. Pertanto, quando un sistema isolato raggiunge la massima entropia non può subire trasformazioni: ha raggiunto l'equilibrio....