Introduzione alla Termodinamica: terminologia

1. Lezione N°2 Introduzione alla Termodinamica:terminologia

2. Termodinamica • La termodinamica è la scienza che studia le trasformazioni subite da un sistema (ovvero le variazioni delle proprietà fisiche) a seguito di un trasferimento di energia e/o di massa. • La parola deriva dal greco antico thermos (calore) e dynamis (movimento). • Lo studio della termodinamica sottende quindi lo studio della grandezza energia, ἐνέργεια (energheia). Un concetto di uso quotidiano ma di cui facciamo fatica a trovare una definizione soddisfacente. Generalmente si definisce energia la capacità di un sistema a compiere lavoro, ma come vedremo nel seguito di questo corso la comprensione di questa proprietà termodinamica presuppone l’acquisizione dei principi fondamentali della termodinamica.

3. Termodinamica • Galileo Galilei 1564-1642 • Evangelista Torricelli  1608-1647 • Robert  Boyle 1627-1691 • Thomas Savery 1650-1715 • Thomas Newcomen 1663-1729 • James Watt 1736-1819 • Sadi-Nicolas-LeonardCarnot 1796 - 1832 • Benoit-Paul-EmileClayperon 1799 – 1864 • Julius Robert Mayer 1814 - 1878 • James Prescott Joule 1818 – 1889 • William Thomson Kelvin 1824 - 1907 • Rudolf Julius Clausius 1822 – 1888 • Ludwig Eduard Boltzmann 1844 – 1906 • James Clerk Maxwell 1831 – 1879 • Albert Einstein 1879 – 1955

4. I primi studi sulla termodinamica sono alquanto recenti nella storia della scienza, infatti solo con Galileo Galilei, verso la fine del 1500 viene costruito uno dei primi termometri (il termoscopio) che consente la misura della temperatura e del flusso di calore. Evangelista Torricelli perfezionerà successivamente gli studi delle proprietà termodinamiche costruendo il barometro per misurare la pressione atmosferica. A metà del 1600 Robert Boyle grazie a questi strumenti di misura formula la legge sui gas che porta il suo nome. • Gli ulteriori importanti passi della termodinamica non sono però il frutto di scienziati come Denis Papin ma dei primi tecnologi dilettanti come Thomas Saveryche alla fine del 700 trasformò la pentola a pressione di Papin nella prima macchina a vapore, perfezionata indipendentemente e quasi contemporaneamente da Thomas Newcomen(fabbro e commerciante di utensili di ferro). Questa macchina, costruita con successo in Inghilterra per circa sessant’anni, aveva però uno scadente rendimento. Il geniale James Watt separarò le azioni di raffreddamento e di riscaldamento dell’acqua mettendo a punto il più importante brevetto dell’epoca. • Fino alla fine del 1700 il calore veniva erroneamente inteso come una “sostanza“ in grado di diffondersi (denominata “calorico”) che permeava ed attraversava tutti i corpi, quando BenjaminThompson pose in dubbio questa teoria. Successivamente Fourier postulò che la quantità di calore che attraversa un superficie in un certo tempo risulta funzione del gradiente di temperatura. • Nel 1824 SadìCarnotelabora la prima formulazione del 2° Principio della Termodinamica che viene rielaborata intorno alla metà dell’800 da Clausius. Il passaggio di calore da una sorgente calda ad una fredda non comporta però una perdita di energia, come pensava Carnot , ma una degradazione. Successivamente anche Lord Kelvin rielabora il principio di Carnot affermando che risulta impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato è quello di assorbire calore da una sola sorgente e di riuscire a trasformarlo tutto in lavoro. Clausiusinfine concentrò la sua attenzione sulla quantificazione dell'irreversibilità dei fenomeni e propose una funzione di stato entropia che misura l’irreversibilità dei fenomeni. • Nel 1847 Joule e Mayer stabiliscono l'equivalenza tra calore e lavoro ed Helmholtzformula il principio di conservazione dell'energia termomeccanica (1° Principio della Termodinamica). Successivamente Kelvin afferma che l'energia si conserva (come stabilito dal 1° principio) ma anche che si degrada (in conformità al 2° Principio) e definisce la scala assoluta di temperature. Il principio di conservazione si andrà sempre più ampliando fino a diventare uno dei pilastri della fisica moderna sebbene sia stato successivamente rivisto ed ampliato da Einstein.

5. Terminologia • Sistema e ambiente • Vincoli di un sistema • Massa e volume di controllo • Proprietà termodinamiche • Macroscopico e microscopico • Coordinate termodinamiche (Proprietà intensive ed estensive) • Energia, calore e lavoro • Temperatura e pressione • Stato termodinamico ed equazioni di stato • Sistemi semplici (sostanza pura, fasi, ..) • Trasformazioni termodinamiche • Equilibrio Termodinamico • (stabile, instabile e metastabile) • Processi e trasformazioni quasi statiche • (Trasformazioni isoterme, isocore, isobare, …) • Termodinamica classica e del continuo

6. Sistema e ambiente Superficie di controllo S.C. La superficie reale o immaginaria che separa il sistema dall’ambiente è la superficie di controllo. Ilsistemaè la quantità di materia o la regione di spazio oggetto di studio. Sistema Tutto ciò che è esterno al sistema costituisce l’ambiente. Ambiente

7. Esempi di sistemi • Thermos • Individuo • Aula • Navicella spaziale • Macchina termica

8. Vincoli di un sistema Chiuso - Aperto Isolato -Non isolato Pareti rigide e fisse - Pareti mobili Adiabatico - Diatermano

9. Massa di controllo La superficie di controllo del sistema segue lo spostamento della massa di controllo Volume di controllo La superficie di controllo del sistema è fissa nello spazio e non segue i flussi di massa entranti ed uscenti: Lavoro Lavoro Calore Calore M.C. M.C. M.C. M.C. M.C. M.C. V.C. Massa e volume di controllo

10. Approccio microscopico 1 mole = 6,02·1023 particelle elementari Approccio macroscopico Sistema come continuo Coordinate termodinamiche come medie statistiche (proprietà termodinamiche) Macroscopico e microscopico

11. Proprietà termodinamiche La proprietàè qualunque grandezza caratteristica del sistema. il valore è indipendente dall’estensione del sistema. il valore è dipendente dall’estensione del sistema. pressione, temperatura, conducibilità termica, … massa, , volume, energia, entropia,.. Una proprietà di stato dipende solo dalle condizioni in cui il sistema si trova e non dal modo in cui esso lo ha raggiunto Una proprietà di stato dipende solo dalle altre proprietà di stato intensiva estensiva

12. Proprietà specifiche proprietà estensiva massa proprietà specifica volume specifico, energia specifica, entropia specifica, …

13. Pressionerelativa Pressione 293.15 Kelvin = 20 °Celsius Pressione atmosferica Temperatura 273.15 Kelvin = 0 °Celsius Pressione differenziale Pressione assoluta Zero assoluto 0 Kelvin = -273.15 °Celsius Temperatura e pressione Pressione termodinamica e empirica Temperatura termodinamica e empirica

14. T P=mg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg Calore Energia interna e flussi di energia (calore e lavoro) • Definizione • Proprietà (conservazione) • Forme (qualità dell’Energia) • Flussi (modo calore e lavoro)

15. Stato termodinamico ed equazioni di stato • Lo stato termodinamicodi un sistema è definito dall’insieme dei valori delle N proprietà termodinamiche • Per definire univocamente lo stato termodinamico sono necessarie solo un numero limitato M (M<N) di proprietà indipendenti. • E’ possibile dimostrare che il numero M di proprietà indipendenti è pari al numero di gradi di libertà del sistema • Le restanti proprietà termodinamiche (N-M) possono essere ricavate dalle M assegnate sulla base di equazioni costitutive anche definite equazioni di stato

16. Sistema semplice p,v,T • Un sistema costituito da una sostanza pura il cui stato intensivo è definito da due proprietà interne intensive indipendenti è un sistema semplice. • Qualora queste due proprietà possono essere scelte tra la pressione, la temperatura e il volume specifico il sistema viene definito sistema semplice comprimibile o p,v,T

17. Equilibrio termodinamico • Un sistema si dice in equilibrio termodinamico se le sue proprietà restano costanti nel tempo. L’equilibrio può essere stabile, instabile e metastabile. • Un sistema si dice stabile se per essere modificato si deve necessariamente modificare anche il mondo esterno. Inoltre se perturbato in modo infinitesimo e finito, torna nel medesimo stato iniziale. • Uno stato instabile può cambiare in modo radicale anche a fronte di una perturbazione infinitesima. • Lo stato di equilibrio metastabile è caratterizzato da una stabilità relativa. Ovvero può subire perturbazioni infinitesime senza modificarsi, ma se la perturbazione è finita allora muta portandosi in un'altro stato.

18. p V Trasformazioni termodinamiche • Si definisce processo o trasformazione termodinamica una variazione dello stato termodinamico di un sistema • Una trasformazione si definisce quasi statica quando essa avviene seguendo una successione di stati di equilibrio (tempo di rilassamento) Isobara isocora

19. Caratteristiche delle proprietà di stato • Condizione necessaria e sufficiente affinchè una generica proprietà sia una funzione di stato è che soddisfi la seguente condizione: • L’integrale di una funzione di stato tra due generici punti A, B non dipende dal percorso della trasformazione • Corollario 1 – L’integrale di una funzione di stato lungo un generico percorso chiuso è nullo. • Corollario 2 – In un sistema bivariante (e.g. sistema p,v,T), date due generiche proprietà di stato x, y indipendenti ed una generica proprietà z=f(x,y), la forma differenziale di z: è sempre un differenziale esatto, ovvero: y 2 a b 1 x

20. Termodinamica classica • Si occupa dei sistemi chiusi in condizioni di equilibrio termodinamico • Le trasformazioni sono quasi statiche e le proprietà termodinamiche intensive, non dipendono dallo spazio, ma sono uniformi nel sistema P(q) • Ad es. sistema pistone-cilindro (espansione, compressione, …)

21. Termodinamica del continuo • Si occupa di sistemi chiusi o aperti che possono trattarsi come un continuo materiale P(x,y,z,q). • L’ipotesi di fondo si basa sull’equilibrio locale. • Ad es. una trasformazione adiabatica in un condotto

22. Riepilogo • In definitiva … che cosa è la termodinamica e di cosa ci occuperemo in questo corso? • Quali sono le possibili applicazioni pratiche delle nozioni acquisite?