Microclima - Illuminazione: Termodinamica Stmp.pdf · FisMed-Termd-AB.ppt - ESCLUSIVO USO DIDATTICO...
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Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
FisMed-Termd-AB.ppt - ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTENO -Intro+Termodinamica
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elio girolettielio giroletti
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAdip. Fisica nucleare e teorica
via Bassi 6, 27100 Pavia, Italytel. 038298.7905 - [email protected] - www.unipv.it/webgiro
TERMODINAMICATERMODINAMICA
FISICA TECNICA AMBIENTALEFISICA TECNICA AMBIENTALE, elio giroletti, elio giroletti, 2005, 2005
- CONCETTI GENERALI, parte I+II - PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA - STATO GASSOSO - BILANCIO TERMICO
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
TERMODINAMICATERMODINAMICA
FISICA TECNICA AMBIENTALEFISICA TECNICA AMBIENTALE, elio giroletti, elio giroletti, 2005, 2005
- Concetti generali - Temperatura- Stato e trasformazione termodinamica- Energia interna-Calore e calore specifico
- Lavoro in termodinamica- I° e II° principio della termodinamica
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
Parte I + IIParte I + II
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
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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)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
TEMPERATURATEMPERATURA
indice dello stato termico di un corpo(caldocaldo –– freddofreddo)correlazione con altre grandezze fisiche:
(dilatazione termica)(dilatazione termica)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, es.:esistono altri sistemi, es.:•• resistenza resistenza R=RR=R00(1+(1+αα∆∆T)T)•• IR (piIR (piùù preciso)preciso)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
scale di temperaturascale di temperatura
CELSIUS, CELSIUS, °°CCt(°C) 0° - 100° H2O
t
KELVIN, KELVIN, °°KK
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
TEMPERATURATEMPERATURA
°°K, SI: misura temperatura termodinamicaK, SI: misura temperatura termodinamica
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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
TEMPERATURATEMPERATURA
Sistema termodinamico: Sistema termodinamico: isolato da una superficie isolato da una superficie (reale o virtuale)(reale o virtuale)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
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CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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??
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
ianc
oli,
Ed. A
mbr
osia
na, 2
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
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
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CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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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CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
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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)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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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CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Terrmodinamica-A+B
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
TERMODINAMICATERMODINAMICA
FISICA TECNICA AMBIENTALEFISICA TECNICA AMBIENTALE, elio giroletti, elio giroletti, 2005, 2005
dispense su internetdispense su internet
www.unipv.it/www.unipv.it/webgirowebgiro
elio girolettielio giroletti ..UniversitUniversitàà degli Studi di Pavia degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teoricadip. Fisica nucleare e teorica
[email protected]@unipv.it -- tel. 98.7905tel. 98.7905