Termodinamica: differenze tra le versioni

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==Cominciamo==

La Termodinamicatermodinamica tratta le interazioni energetiche nei sistemi fisici.La termodinamica classica e'è articolata in quattro leggi, rispettivamente zero-esima, prima, seconda e terza. Le ''leggi'' della termodinamica sono empiriche, ''i.e.'', sono dedotte dall'esperienza e supportate da un enorme bagaglio di prove offerte dalla realta'realtà che ci circonda.

==Struttura del libro==

*Il '''primo capitolo''' e'è una introduzione alla termodinamica, e presenta motivazione e scopo dell'argomento.

*Il '''secondo capitolo''' definisce i termini di base del libro, focalizzando soprattutto il concetto di ''processo'' e ''sistema''. Svilupperemo il concetto di temperatura e di legge zero-esima.

Questo corso istruisce lo studente sulle proprieta'proprietà del [[w:calore|trasferimento del calore]], dove si studiano i meccanismi di trasmissione di energia sotto forma di calore.

L'antica Grecia comincia a farci conoscere alcuni timidi approcci di sfruttamento del calore: sostanzialmente si cercaa di ideare e realizzare piccoli esperimenti come il ''termoscopio'' di Filolao (480-400 a.c) o l<nowiki>' </nowiki>''eolipilo'' di [[w:Erone|Erone]] (secondo secolo a.c.).

Occorre citare il '''termoscopio''' sia come lontano antenato del moderno termometro sia perché in seguito fu realizzato da Galileo. Era costituito da un recipiente ed un palloncino di vetro , collegati tramite un tubicino. Questa cannula aveva un estremità aperta ed immersa nell'acqua : riscaldando i palloncino l'acqua scendeva attraverso il tubo, nel caso contrario saliva.

L<nowiki>' </nowiki>''eolipilo'' di Erone era un lontano antenato della macchina a vapore.

I primi esperimenti sul calore risalgono al secolo sedicesimo in particolare con Galileo ed i suoi studi sulla dilatazione dei fluidi: questi primi tentativi di misurare il calore dei corpi lasciavano presumere che vi fosse una energia che poteva essere sfruttata.<br/>

<br/>La teoria del calorico interpretava il calore in modo meccnaicomeccanico : conquisto' ampio credito anche per l'immediatezza con cui venne compresa.Secondo questa teoria il calore era pensato come un fluido contenuto nei corpi e che poteva essere travasato da un corpo all'altro per contatto.Era sufficiente accostare due corpi perché il calorico passasse dal corpo piu'più caldo a quello piu'più freddo.<br/>

La teoria del '''flogisto''' differiva perché definiva il calore in un modo piu'più chimico che meccanico.

=== Introduzione alla Termodinamicatermodinamica classica ===

La Termodinamica e'è lo studio dell' energia. Nello specifico, ,la termodinamica e'è lo studio del trasferimento di energia nei sistemi. La termodinamica classica e'è composta da metodi e costrutti usati per contabilizzare l'energia di un sistema a livello macroscopico ; si puo'può pensare che sia un modo per contabilizzare l'energia.Si possono azzardare dei paragoni economici : come qualcuno gestisce il denaro per sfruttarlo nel miglior modo possibile , cosi'così gli scienziati lavorano allo scopo di sfruttare al meglio l'energia del sistema. Ma mentre il sistema economico deve lottare contro gli sprechi, la termodinamica ha nemici implacabili come l'entalpia e la irreversibilita'irreversibilità. In entrambi i casi una attenta adesione ad alcune semplici regole permette di migliorare l'uso delle risorse disponibili.

Se la semplicita'semplicità della termodinamica non convince gli studenti , allora occorre concentrarsi sull'importanza che oggi ha assunto il trasferimento di energia nel nostro pianeta.Fino a 150 anni fa o cosi'così, l'economia della terra era basata sul lavoro dell'uomo e la macchina umana utilizzava principalmente i [[w:carboidrati|carboidrati]] come fonte di energia. L'unico ''carburante'' disponibile, ,se cosi'così lo possiamo chiamare, era il cibo che viene convertito in energia attraverso un complesso sistema di reazioni chimiche.

La civilta'civiltà odierna ha bisogno di energia e deve fare i conti anche con la possibilita'possibilità di fonti alternative e diversificate.La termodinamica viene in aiuto nel ritagliare nuovi spazi di efficienza.Le centrali sono gli impianti deputati a produrre energia ed a trasformarla nel modo ritenuto migliore.I razzi che trasferiscono i satelliti geostazionari su orbite prestabilite devono essere frutto di una attenta progettazione.

La battaglia per l' energia non e'è ancora terminata.Capire cosa voglia dire sfruttamento raziona dell'energia e'è un passo significativo. .

=== Forme di Energiaenergia a livello macroscopico ===

Sara'Sarà principale interesse del lettore apprendere bene il concetto di energia prima di discuterlo in modo piu'più approfondito. Per iniziare un corso di termodinamica e'è necessario interrogarsi sulle tre principali forme di energia che sono discusse in termodinamica a livello macro. Ne esistono parecchie altre ma sempre legate ad un approfondimento ulteriore ed oggetooggetto di studi piu'più avanzati.

Il '''moto''' e'è la prima manifestazione dell'energia ed e'è anche una delle piu'più facili da apprendere. L' energia cinetica e' è l' energia di una massa in movimento. Per capirsi con un esempio, una macchina in movimento possiede piu'più energia cinetica di una macchina in quiete cioe'cioè immobile. Una macchina che corre alla velocita'velocità di 60 km/h ha piu'più energia cinetica di una che viaggia ad una velocita'velocità di 30 km/h.

Il secondo tipo di energia e'è chiamato energia potenziale. L'energia potenziale e'è quella di un corpo che viene sollevato ad una certa altezza. Una macchina all'altezza di 50 m ha piu'più energia potenziale di una che e'è posta a 25 m di altezza. Questo concetto di energia potenziale si comprende meglio se immaginiamo di far cadere questa macchina. La prima impattera'impatterà da 50 con una energia maggiore di quella posta a 25 m (l'[[w:accelerazione]] e'è maggiore).La caduta di un corpo (o di un ''grave'', per usare un termine fisico piu'più appropriato) ci da'dà la prima possibilita'possibilità di capire il concetto di trasferimento o conversione di energia in un ' altra forma di energia.Anche gli scienziati che devono cercare di progettare un razzo devono fare i conti con l'energia potenziale.

La terza ed ultima manifestazione di energia , che poi e'è la piu'più importante in termodinamica, e'è la temperatura. L'energia interna della materia e'è misurata dalla sua temperatura. Un litro di acqua calda ha al suo interno una maggior temperatura di un litro di acqua fredda, quindi possiede piu'più energia. L'energia interna e'è una misura dell'energia cinetica delle molecole molecole e degli atomi che compongono la sostanza. Poiche'Poichè ogni atomo o molecola agisce secondo proprie regole, questa energia interna e'è diffeentedifferente dall'energia cinetic associata al solido.L'energia interna della materia dipende dal moto delle molecole. Le molecole di un gas ad alta temperatura schizzano letteralmente urtando le pareti del recipiente e le altre molecole. Anche le molecole di un solido ad alta temperatura si muovono moltissimo ma essendo vincolate con le altre molecole vibrano anziche'anziché spostarsi.

In breve la termodinamica classica studia le succitate forme di energia.Quelle forme di energia possono trasferirsi sia attraverso i corpi sia attraverso i sistemi . Termodinamica fornisce essenzialmente alcune definizioni necessarie per lo studio dei sistemi termodinamici.Due importanti regole riguardano un bilamnciamentobilanciamento dell'energia disponibile e una regola chiave per capire la qualita'qualità dell'energia messa in gioco,un po' come se l'energia avesse un ''valore''. Capire il lavoro e le complesse regole che governano la termodinamica a livello macroscopico permette di avere a disposizione un interessante set di strumenti per analizzare una miriade di fenomeni , di problemi ingegneristici di una certa complessita'complessità ed anche problemi di tipo pratico.

Useremo la nozione di energia di un corpo partendo dalla seconda legge di Newton, e quindi l'energia totale e'è conservata.

Le forme piu'più comuni di energia sono l' [[w:energia cinetica|energia cinetica]] e l' [[w:energia potenziale|energia potenziale]].

L' energia potenziale 'eè usualmente energia dovuta alla posizione o configurazione della materia in un [[w:campo|campo]] sul quale insistono forze come per esempio il [[w:gravita'gravità|campo gravitazionale]] della Terra. L'energia cinetica è l'energia che si traduce nel moto di un corpo. In termodinamica tratteremo principalmente del lavoro e del [[w:calore|calore]], manifestazioni tipiche dell'energia.

Nel caso del sistema pistone cilindro, theil lavoro svolto durante un ciclo e'è ''W'', dove ''W = &minus;&int; F dx = &minus;&int; p dV'', dove ''<math>F = p A''pA</math>, dove ''p'' e'è la pressione interna. In altre parole il lavoro svolto è l'area sottostante al diagramma pressione-volume ''p-V''. Qui, ''F'' è la forza esterna opposta al sistema, che è uguale e opposta. Corollario principale della regola sopra descritta è che un sistema sotto espansione libera non svolge lavoro. La definizione di lavoro sopra illustrata vale per processi quasi statici, quando il lavoro svolto è reversibile.

Una conseguenza di quanto sopra svolto e'è che il lavoro non e'è una funzione di stato dal momento che dipende da una traiettoria (Con quale curva e'è meglio integrare da 1 a 2?). Per un sistema in un ciclo che ha stati 1 e 2 , il lavoro svolto dipende dal tragitto preso durante il ciclo. Se, nel ciclo la curva va da 1 a 2 lungo ''A'' ed il ritorno lungo ''C'', il lavoro svolto consiste nell'area. Tuttavia, se il sistema ritorna a 1 attraverso il cammino ''B'', allora il lavoro svolto è più grande, ed è uguale ala somma delle due aree.

La regione delimitata e'è proporzionale al lavoro svolto dal motore , il volume ''V'' nell' asse ''x'' e'è ottentuoottenuto dallo spostamento del pistone , mentre nell'asse y abbiamo la pressione interna al cilindro.

Il lavoro svolto in un ciclo e'è ''W'', dove

Nella convenzione usata dal libro il lavoro svolto '''dal''' sistema e'è negativo, quello '''sul''' sistema positivo.

=== Flusso di Energiaenergia ===

In precedenza abbiamo cercato di calcolare il lavoro svolto per comprimere un fluido in un sistema. Supponiamo di introdurre un certa quantità di fluido in un sistema a pressione costante ''p''. Ricordiamo dalla definizione di sistema che in un sistema aperto la materia puo' entrare o uscire. Consideriamo una piccola quantità di fluido di massa ''dm'' con volume ''dV'' che entra nel sistema.

La quantita'quantità di lavoro svolto in un processo dipende dalla quantita'quantità di irreversibilita'irreversibilità.

Una discussione completa sulla irreversibilita'irreversibilità e possibile soltanto dopo la discussione della seconda legge.

Non e'è strettamente richiesto un cambiamento di volume.

Consideriamo un processo politropico ''pVⁿ=C'', dove ''C'' e'è costante.

Se il sistema cambia i suoi stati da 1 to 2, il lavoro svolto e'è dato da

Prima che la termodinamica fosse considerata un scienza esatta, la teoria piu'più nota era che il calore non fosse altro che un fluido chiamato ''calorico'', che era immagazzinato in ogni corpo. Si pensava che un corpo riscaldato , quindi ad un certo grado di temperatura, trasferisse il calore ad un corpo più freddo travasandogli un qualche tipo di fluido. Comunque, questo fu presto smentito mostrando che il calore was generated when drilling bores of guns, where both the drill and the barrel were initially cold.

Il Calorecalore e'è una forma di energia che si scambia fra due punti a differente temperatura. È definito ed è una funzione.

=== Calore Specificospecifico ===

Il ''calore specifico'' di una sostanza e'è la quantita'quantità di calore richiesta per innalzare di un grado la temperatura di una

=== Calore Latentelatente ===

Si puo'può osservare come il calore specifico come lo abbiamo definito sopra sara'sarà infinitamente grande nel cambio di fase, in cui il calore viene trasferito senza innalzare la temperatura.

<br/>Quindi puo'può divenire utile definire una grandezza nota come '''calore latente''', che poi' e 'è la quantita'quantità di energia richiesta per cambiare la fase di una unita'unità di massa di una data sostanza.

Un ''processo adiabatico'' e'è definibile come un processo in cui non c'e'è trasferimento di calore. Un gas contenuto in un recipiente isolato costituisce un esempio di processo adiabatico. Si possono avere processi adiabatici anche quando il recipiente non è isolato ed il processo è abbastanza veloce da non aversi trasferimento di calore (''p.e.'' la trasmissione del suono attraverso l'aria).