Definizioni basilari Termodinamica, Domande di esame di Fisica Tecnica. Università degli Studi di Napoli Federico II
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Definizioni basilari Termodinamica, Domande di esame di Fisica Tecnica. Università degli Studi di Napoli Federico II

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Definizioni di sistema, ambiente, proprietà intensive ed estensive, proprietà interne ed esterne, stato termodinamico ed infine i diversi approcci alla termodinamica.
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Fisica tecnica Lezioni 1 e 2

In questi primi capitoli tratteremo lo studio della termodinamica. In particolare esso sarà condotto attraverso un approccio macroscopico, quindi prettamente sperimentale, ignorando la natura microscopica della materia.

Definizioni di base Sistema ed ambiente : Un sistema termodinamico è costituito dalla materia contenuta all’interno di un confine, detto “Sistema di controllo” (S.C.), la cui frontiera è possibilmente identificata con una linea chiusa tratteggiata. Essa è una superficie geometrica immaginaria, ma spesso coincide con superfici reali. L’ambiente è invece tutto ciò che è al di fuori del confine del sistema. Il sistema può o non può consentire i “flussi di massa”. Se può è detto aperto, se non può è detto chiuso.

I sistemi chiusi sono studiati secondo l’approccio della “ massa di controllo” (M.C.). La grandezza controllata è quindi la massa. I confini della M.C possono essere mobili e quindi dobbiamo considerare le variazioni di volume del sistema. esempio : il fluido in un sistema cilindro-pistone è un sistema chiuso.

Nel caso in cui ci troviamo in una situazione in cui il fluido si muove, è in moto, allora è comoda l’analisi attraverso il “Volume di controllo” (V.C.), nel senso che la grandezza da controllare è il volume. Esso si considera sempre fisso rispetto a una terna inerziale (x y z). I confini del V.C consentono flussi di massa e quindi siamo in un sistema aperto. Per studiare un flusso in moto ci basta scegliere un confine che delimiti il V.C.

Riassumendo : studieremo i sistemi chiusi attraverso le M.C, mentre i sistemi aperti attraverso i V.C. L’unione di uno o più sistemi con il loro ambiente forma un “sistema isolato”.

Proprietà, stato, equazione di stato.

La descrizione macroscopica di un sistema è fatta attraverso proprietà fisiche. Per ogni fenomeno ci sarà bisogno di un numero limitato di proprietà. Le distinguiamo in : -Estensive : una proprietà è estensiva se il suo valore per l’intero sistema è pari alla somma dei valori relativi dei sottosistemi che lo compongono. Esse dipendono dall’estensione del sistema. Godono della proprietà additiva. Esempi ne sono massa, volume, energia… -Intensive : Il loro valore non dipende dall’estensione del sistema. Esempi ne sono temperatura, pressione…

Se si divide una proprietà estensiva per la massa si ottiene la “proprietà specifica”. Essa non dipende dall’estensione del sistema, è quindi una proprietà intensiva. Con le lettere Maiuscole indichiamo le proprietà estensive, con le minuscole le intensive.

E’ inoltre utile suddividere le proprietà in “interne” ed “esterne”. Una proprietà esterna caratterizza il moto o la posizione del sistema in un campo di forze (velocità, energia cinetica…). Una proprietà è interna se è suscettibile di misura dall’interno dei confini del sistema (temperatura, volume specifico…).

Lo stato termodinamico è costituito dall’insieme dei valori delle proprietà che lo caratterizzano. Se l’insieme delle proprietà che lo caratterizzano non varia nel tempo si parla di “stato di equilibrio termodinamico”. Tale concetto è fondamentale. Inoltre, uno stato può essere intensivo se le proprietà sono tali, estensivo se viceversa. Le proprietà sono “funzioni puntuali” perché il loro valore è funzione dello stato e se variano fanno si che lo stato vari. Esse non dipendono dal cammino dallo stato iniziale a quello finale del sistema. E’ stato inoltre sperimentato che se uno stato è formato da n proprietà, non tutte sono necessarie per descriverlo. Ciò significa che non tutte le n proprietà sono “indipendent”, ci sono alcune proprietà che possono essere ricavate dalle altre, attraverso l’ausilio delle equazioni di stato, anche dette equazioni caratteristche. Se però il sistema non è in equilibrio non si possono applicare le equazioni di stato.

Sostanze pure, fase, sistema semplice e comprimibile. Si dice che un sistema è costituito da una sostanza pura se è presente una sostanza di composizione chimica fissata, e si parla di sistema ad una componente. Se è composto da una miscela si dice a più componenti.

Una regione del sistema omogenea è detta fase. Più propriamente la fase è l’insieme di tutte le parti omogenee del sistema che hanno lo stato intensivo.

Trattiamo ora un esperimento per capire due differenti teorie : La termodinamica classica e del continuo e l’equilibrio locale. Prendiamo quindi un sistema cilindro-pistone, a una data temperatura e pressione. Abbiamo n=2 proprietà, possiamo quindi ricavarne una terza, il volume. Supponiamo quindi di essere in uno stato di equilibrio. Se poi faccio scendere il pistone, posso affermare che si verrà a formare un nuovo stato di equilibrio e posso ricalcolare il volume in altre condizioni. Se indico il primo stato con (1) e il secondo con (2), allora posso dire che il passaggio da 1 a 2 è un processo termodinamico. C’è però un ragionamento da fare : negli stadi intermedi cosa accade? Il pistone inizia a scendere ma gli strati della materia sul fondo non si accorgono della variazione, quindi avranno ancora P in e Tin , quelli al di sopra invece Pfin e Tfin. In questo stadio intermedio non è quindi possibile determinare lo stato termodinamico perché non c’è equilibrio.

Questo problema viene quindi risolto attraverso due metodi : 1) Termodinamica classica : sfrutta un abbassamento lentissimo del pistone, infinitesimo e quindi un processo “quasi-statico”, ovvero attraversando infinite posizioni di equilibrio. Quindi essa si limita a correlare stati di equilibrio iniziale e finale. Aggiungiamo inoltre, in termini più generali che la termodinamica classica si occupa di sistemi chiusi, con proprietà il cui valore è uniforme nella M.C. 2) Equazione locale- Stadio Medio : Se sezioniamo la zona al di sotto del pistone e studiamo soltanto un elementino possiamo osservare che lì la pressione varia, ma di pochissimo e la consideriamo trascurabile, si presenta così un equilibrio “locale” ma non globale. 2+) Ipotesi del contnuo : Non ci sono discontinuità, la pressione varia allo stesso modo, con continuità, da

un punto all’altro del pistone. Tale approccio è utilizzato nello studio di discipline quali la trasmissione di calore, l’elasticità, la meccanica dei fluidi…

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