1° PRINCIPIO DELLA
TERMODINAMICA
1° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
L'energia di un sistema termodinamico chiuso non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma a un'altra
∆
� =�−�
Detto Q il calore assorbito dal sistema , U
l’energia interna del sistema, L il lavoro fatto dal sistema.
Segno di Q e di WQ W
Positiv o
Il sistema acquista energia dall’esterno mediante uno scambio di calore.
Il sistema compie un lavoro positivo (durante un’espansione) e cede
energia.
Negati
vo Il sistema cede energia all’esterno
mediante uno scambio di calore. Il sistema compie un lavoro negativo (durante una compressione) e
acquista energia.
SISTEMA TERMODINAMICO
Un sistema termodinamico può essere rappresentato da un gas ideale
racchiuso in un cilindro perfettamente isolante, chiuso da un pistone che può essere bloccato o libero di espandersi, con un fondo attraverso il quale può scambiare calore con l’esterno e che può essere anch’esso isolato
perfettamente
Un sistema termodinamico può essere:
• Aperto: Un sistema si dice aperto se consente un flusso con l'ambiente esterno, sia di materia sia di energia;
• Chiuso: Un sistema si dice chiuso se può scambiare energia ma non materia con l'ambiente esterno;
• Isolato: Un sistema si dice isolato se non permette un flusso né di energia né di massa con l'ambiente esterno.
Lo stato di un sistema termodinamico è definito dal valore delle variabili di stato
• pressione (p)
• volume (V)
• temperatura (T)
Non è necessario che il cilindro contenga un gas perfetto: l’importante è che il fluido al suo interno possieda un’equazione di stato.
In termodinamica viene definito fluido omogeneo qualunque corpo il cui comportamento sia descritto da un’equazione di stato.
L’ENERGIA INTERNA DI UN SISTEMA
L’energia interna dipende soltanto dallo stato in cui si trova il sistema e non dalla sua storia passata
Si dicono funzioni di stato quelle
grandezze che dipendono soltanto dalle variabili termodinamiche che
individuano lo stato di un sistema.
L'energia interna è una funzione di stato In termodinamica l’energia interna è una grandezza estensiva:
Si dicono estensive quelle grandezze il cui valore varia in proporzione diretta alla massa del sistema;
Intensive quelle grandezze il cui valore non dipende dall’estensione del sistema.
L’EQUILIBRIO TERMODINAMICO
Il fluido si trova in equilibrio termodinamico solo se ognuna delle variabili che lo descrivono (pressione, temperatura etc.) ha lo stesso valore in tutti i suoi punti e non varia nel tempo.
L’equilibrio termodinamico può essere:
•
Equilibrio meccanico: non devono essere presenti forze non equilibrate;•
Equilibrio chimico: la sua struttura interna e la composizione chimica del sistema devono rimanere inalterate;•
Equilibrio termico: la temperatura deve essere uniforme in tutto il fluido.TRASFORMAZIONI REALI
Se consideriamo una
trasformazione che ha inizio in A e che termina in B. Negli stadi
intermedi il sistema esce dalle
condizioni d’equilibrio. Pertanto, nel diagramma la trasformazione deve essere rappresentata come un fuso tra A e B al cui interno sono inclusi tutti i valori di P e di V all’interno del sistema
A
B
TRASFORMAZIONI QUASISTATICHE
Una trasformazione quasistatica è una trasformazione ottenuta
passando per un numero grande di stati di equilibrio intermedi,
ognuno dei quali differisce pochissimo da quello precedente.
TRASFORMAZIONI QUASISTTICHE
Tra le trasformazioni quasistatiche le principali sono:
p
v A
C o
B
D
• Trasformazione isobara
• Trasformazione isocora
• Trasformazione isoterma
IL LAVORO TERMODINAMICO
Lo scambio di energia fra sistema e ambiente può avvenire mediante scambio di calore, ma anche mediante l’esecuzione di LAVORO sia dal sistema sull’ambiente (LAVORO POSITIVO ), sia dall’ambiente sul sistema (LAVORO NEGATIVO)
In genere scambi di energia mediante lavoro termodinamico determinano nell’ambiente variazioni macroscopiche nella
configurazione di un sistema meccanico, ad es. l’innalzamento del coperchio di un recipiente cilindrico in cui è posto un gas.
Il lavoro non è una funzione di stato
LAVORO DI UNA TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA
• Il gas esercita una pressione P su tutte le pareti del recipiente determinando sul pistone una forza F = P A
• Considerando un’espansione h del pistone il gas compie il lavoro:
h F
x
LAVORO DI UNA TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA
�=�∆�
•
Il lavoro compiuto dal gas è dunque uguale al prodotto della pressione (costante) per la variazione di volume
• Se il gas si espande
lavoro positivo
il gas compie lavoro sull’ambiente
• Se il gas viene compresso lavoro negativo
l’ambiente compie lavoro sul gas.
LAVORO IN UNA TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA
Graficamente il lavoro rappresenta la superficie racchiusa sotto la curva (o retta) che rappresenta la trasformazione
p
o
V
vi
Δ Vf V
p
o
V
vi
Δ Vf
V
LA TRASFORMAZIONE CICLICA
Il lavoro compiuto da un sistema
termodinamico nel corso di una trasformazione ciclica quasistatica è uguale all’area della
parte di piano racchiusa dalla linea che
rappresenta la trasformazione nel piano p-V
Una trasformazione è detta ciclica quando lo stato finale coincide con quello iniziale
p
V
