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TERMODINAMICA
Sistema termodinamico = porzione del mondo che può essere costituita da una o più parti. Ambiente = insieme che può essere costituito da una sola parte o da più parti, con cui il sistema interagisce. Sistema aperto → se se tra il sistema e l'ambiente avvengono scambi di energia e di materia Sistema chiuso → se non avvengono scambi di materia ma avvengono scambi energetici Sistema isolato → se non avviene nessuno scambio con l'ambiente esterno, l'universo termodinamico è da considerarsi un sistema isolato. Variabili termodinamiche = descrivono un sistema termodinamico (volume, temperatura, pressione, massa, concentrazione, densità... w=−Δ U se il sistema fornisce lavoro all'esterno, W>0 e quindi l'energia U diminuisce se invece compie lavoro dall'esterno sul sistema W<0 e U aumenta ma la variazione di energia interna la si può ottenere anche avvicinando il sistema ad un corpo più caldo o più freddo. Anche nel caso di scambio di calore con lavoro nullo: Q=Δ U assumendo positivo il calore ceduto al sistema dall'esterno. Pertanto si ottiene l'equivalenza tra calore e lavoro: Q=−W Q rappresenta il calore scambiato, senza lavoro esterno, per far variare la temperatura della massa d'acqua e W il lavoro che deve essere speso, in condizioni adiabatiche, per ottenere la stessa variazione di temperatura. Primo principio della termodinamica: se il sistema compie una trasformazione dallo stato A allo stato B, scambiando calore e lavoro con l'ambiente, Q e W dipendono dalla trasformazione che congiunge i due nstati termodinamici, mentre la differenza Q – W risulta indipendente dalla trasformazione. Quindi: Q−W =Δ U , Q=W + Δ U Ciò che un sistema possiede è una certa quantità di energia che può variare in una trasformazione, appunto a seguito di scambi di calore e lavoro. Trasformazione ciclica o chiusa: Δ U = 0 → Q=W Calore che entra in un sistema dall'esterno segno positivo Lavoro che è compiuto da un sistema sull'esterno segno positivo calore che esce da un sistema verso l'esterno segno negativo lavoro che è comnpiuto dall'esterno sul sistema segno negativo
Trasformazione adiabatica = trasformazione in cui il sistema non scambia calore con l'esterno, in cui quindi: Q=0,W =−Δ U Una trasformazione è detta reversibile se essa avviene attraverso stati di equilibrio e in assenza di qualsiasi forza dissipativa, come per esempio attriti viscosi. Una trasformazione è detta irreversibile qualora passi attraverso stati di non equilibrio o avvenga in presenza di forze dissipative oppure si verifichino, durante il suo svolgimento, entrambe queste situazioni. Se metto a contatto due corpi con temperature diverse, il calore ceduto dal primo corpo, il corpo più caldo, sarà uguale in modulo a quello assorbito dal secondo corpo, quello più freddo. Esiste quindi proporzionalità tra il calore Q scambiato da un corpo, la massa del corpo stesso e la variazione della sua temperatura: Q=m c(T (^) finale−T (^) iniziale) Il calore specifico rappresenta il calore che occorre scambiare con l'unità di massa di una data sostanza, alla temperatura T, per farne variare la temperatura di 1 K. Il prodotto C = mc, detto capacità termica del corpo, rappresenta a sua volta il calore necessario per far variare di 1 K la temperatura del corpo. Ritornando a due corpi in contatto termico, l'eguaglianza tra i calori scambiati diventa: Q 1 =−Q 2 m 1 c 1 (T (^) eq−T 1 )=−m 2 c 2 (T (^) eq−T 2 ) Se i corpi che interagiscono tra di loro sono fatti della stessa sostanza il calore specifico si può anche tralasciare. Cambiamenti di fase = passaggi di una sostanza da una fase all'altra, per esempio da solido a liquido o da solido a gas o da liquido a solido... etc. I cambiamenti di fase sono accompagnati da scambi di calore e si osservfa che, per unità di massa, si tratta di quantità ben definite, dette calori latenti. Pertanto il calorer richiesto per il cambiamento di fase della massa di una sostanza pura è dato da: Q=m λ Il calore Q deve essere ceduto alla sostanza per far avvenire, ad esempio, la fusione o sottratto da essa per produrre solidificazione. Si definisce come3 sorgente di calore o serbatoio, un corpo con capacità termica praticamente infinita. Esempi pratici sono frigoriferi o forni: Un corpo a temperatura T emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Il potere emissivo del corpo, che ha significato energia emessa per unità di tempo e per unità di superficie, è dato dalla legge di stefan-boltzmann:
per ogni termperatura T si ha una diversa iperbole e le curve così ottenute si chiamano le isoterme del gas ideale. Isobara Mantenendo la pressione costante V =V 0 ( 1 + α t) α=coefficiente di dilatazione termica Isocora Mantenendo il volume costante p=^ p 0 (^1 +^ β^ t) α=β=
°C
− 1 V =V 0 α(
α +^ t^ )=V^0 α^ T p= p 0 α(
α +^ t^ )=^ p^0 αT T =
α +^ t=273.15+^ t T =temperatura Kelvin ,t=temperatura Celsius Legge di Avogadro = volumi eguali di gas diversi, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole: N (^) A=6.0221 ∘ 10 23 Una mole di qualsiasi gas, a una data temperatura e pressione, occupa sempre lo stesso volume. Equazione di stato del gas ideale → p^ V^ =n^ RT
R= 8314 J / Kmol K =costante del gas ideale definiamo come gas ideale un sistema le cui coordinate termodinamiche in uno stato di equilibrio obbediscono alla equazione di stato del gas ideale. n=
N
N A
p V =
N
N A
R T =N k (^) B T , (^) k (^) B=1.3807 ∘ 10 −^23 J / K se al posto del volume si utilizza la densità: ρ=
M
V
p ρ =^
R T
A
Il lavoro se la trasformazione è reversibile ed è nota la pressione esterna, p = cost. W = pambiente (V (^) B−V (^) A) Trasformazione isocora: V =costante , Δ V = 0 , W = 0 V (^) B< V (^) A W < 0 il gas subisce un lavoro compiuto dall ' ambiente V (^) B> V (^) A W > 0 il gas compie un lavoro sull ' ambiente nel piano (p, V) il lavoro è pari all'aera compresa tra la curva e l'asse dei volumi. In una trasformazione ciclica reversibile il lavoro è dato dall'area racchiusa dal ciclo, esso è positivo se il ciclo è percorso in un senso orario, negativo in caso contrario. Per una trasformazione infinitesima isocora. Calore specifico molare a volume costante: dQ=n cV dT cV =
n
dQ dT
V → QV =n^ cV Δ^ T Per una trasformazione infinitesima isobara. Calore specifico molare a pressione costante: dQ=n cP dT cP =^
n
dQ dT
P → QP=n c (^) P Δ T
