CICLO OTTO

Vediamo adesso la differenza tra cicli termodinamici e ciclo otto.

Cicli termodinamici per i gas
Normalmente, per semplicità si utilizzano i gas ideali per la descrizione dei cicli termodinamici. Il minimo numero di trasformazioni per ottenere un ciclo termodinamico è normalmente tre, tuttavia il numero può anche essere aumentato fino a quattro. In questa sede analizzeremo un ciclo diretto e uno inverso.


Ciclo Otto

Nikolaus August Otto, ingegnere tedesco (1832-1891), riprende il lavoro di Eugenio Barsanti e Felice Matteucci del loro motore, e lo migliora, mantenendo gli stessi accorgimenti estetici. Otto depositò il brevetto del primo motore a quattro tempi nel 1886 (bisogna però sottolineare che gli stessi studi con uguali conclusioni erano stati compiuti e pubblicati dall’inventore Alphonse Beau de Rochas nel 1862).

IL RENDIMENTO

E cosa significa impianti monocomponente ed efficienza di conversione?

Impianti monocomponente

Gli impianti che usano un unico componente chimico come sostanza che compie il ciclo termodinamico viene detto impianto monocomponente (in queste tipologie di impianti si possono utilizzare anche miscele di composti chimici diversi che si comportano come uno solo, a patto che questi componenti abbiano valori di temperature e di pressioni affini).
Quasi tutti i cicli termodinamici il fluido si trova allo stato o liquido o aeriforme per vari motivi: lo spostamento è più semplice e soprattutto le sostanze allo stato liquido o aeriformi hanno variazioni di volume più importanti in funzione della temperatura.

Efficienza di conversione: rendimento

Fin dalla prima comparsa delle prime macchine termiche ,venne alla luce il problema economico: esisteva una grandezza per rappresentare in maniera oggettiva se una macchina termica fosse economicamente più vantaggiosa rispetto ad un’altra: il rendimento.
Esso rappresenta un rapporto tra due grandezze non coerenti tra loro: lavoro prodotto dalla macchina ( in J) e il calore speso (in J).

Per i cicli diretti: il rendimento è uguale al rapporto tra lavoro prodotto e calore speso:

η=L/Q

Si tratta di un coefficiente che ha un range di variabilità ben definito:

0<η<1>

dove 1 risulta un valore impossibile, in quanto il poter trasformare tutto il calore fornito in lavoro andrebbe contro il secondo principio della termodinamica.

Per i cicli inversi: il rendimento si chiama coefficiente di prestazione CP ed è uguale al rapporto tra calore assorbito dalla sorgente fredda e il lavoro impegnato per tale operazione:

CP=Q/L

I valori teorici per tale coefficienti sono compresi fra 6-8, ma nella realtà si aggirano intorno a 4-5.
Una tabella di valori tipici di rendimento che i permettono di stimare l’efficienza dei vari cicli termodinamici è la seguente:

Chiaro?
Forza, Gigar ha bisogno dei vostri commenti :-)

CICLI TERMODINAMICI

Si definisce un ciclo termodinamico una serie di trasformazioni ,al termine delle quali il sistema si ritrova nello stesso stato iniziale.

E’ utile evidenziare che:
• In un ciclo è necessario servirsi di un fluido, da riutilizzare al termine delle trasformazioni;
• Le trasformazioni compiute hanno come obiettivo di trasformare l’energia termica in lavoro meccanico e viceversa. Il calore può essere prodotto da un combustibile che, bruciando, produce un sufficiente calore;

CICLI DIRETTI E INVERSI

Generalmente, i cicli termodinamici vengono divisi a seconda del tipo di conversione energetica che effettuano e sono:
• Cicli diretti: trasformano il calore in energia meccanica;
• Cicli inversi: trasformano energia meccanica in calore. In questo caso l’energia utilizzabile prodotta da un fluido può permettere di:

1)fornire calore a temperatura superiore all’ambiente (pompe di calore);

2)sottrarre calore a temperatura inferiore all’ambiente (frigoriferi);

L'ENTALPIA

Vediamo cosa sta a significare questa parola così strana...

Prendiamo in considerazione il primo principio della termodinamica in questi termini:

Q=E+P∆V

E consideriamo:

∆E=E2-E1

E:

∆V=V2-V1

Risulta per sostituzione:

QP=(E2+PV2)-(E1+PV1)

Il calore di reazione a pressione costante è dato dalla differenza dei valori della funzione (E+PV), calcolati rispetto agli stati finale e iniziale di una trasformazione. Alla quantità o funzione (E+PV) si attribuisce il nome di entalpia (o contenuto termico) e si indica con il simbolo H:

H=E+PV

Il calore scambiato nelle reazioni che avvengono a pressione costante rappresenta dunque la variazione di entalpia fra lo stato finale del sistema e quello finale.
Generalmente le reazioni di combustione, così come le altre reazioni chimiche, vengono realizzate in repicienti aperti, alla pressione P atmosferica che rimane invariata per tutta la durata della trasformazione.

In un processo esotermico avremo che H2<H1, cioè l’entalpia finale del sistema è maggiore dell’entalpia iniziale;in un processo endotermico, invece, sarà H2>H1, cioè l’entalpia finale del sistema è maggiore dell’entalpia iniziale.

Normalmente le variazioni di entalpia vengono espresse in Kj.
Anche la variazione di entalpia, come molte grandezze fisiche e chimiche, dipende dalle condizioni in cui si trova un sistema, infatti dipende dalla temperatura, dalla pressione (e nel caso di una soluzione dalla sua concentrazione). È quindi opportuno riferire il suo valore a determinate condizioni standard è queste condizioni oggi sono accettate come la pressione deve essere uguale ad una atmosfera, la temperatura a 25°C (e nel caso di una soluzione la concentrazione deve essere di una mole per litro). Quando l’entalpia è riferita a queste condizioni viene indicata come ∆H° e si pronuncia “delta H standard”.

L’entalpia standard di formazione di un composto è la variazione di entalpia che accompagna la formazione di una mole di un composto a partire dagli elementi che lo costituiscono, ciascuno nel proprio stato standard.

E’ possibile, utilizzando le ∆Hf (entalpie standard di formazione) delle diverse sostanze, ricavare ∆H° in caso di reazione, nel caso sia difficile la misura diretta:

Le entalpie standard di combustione consentono di confrontare la resa calorica dei diversi combustibili.

Avete capito?....non mi sembra molto difficile! Se però avete difficoltà chiedete al vostro insegnante!

ESPERIMENTO

Consideriamo ora un famoso esperimento, per spiegare in modo chiaro che cosa è l’entropia: immaginiamo di avere un recipiente chiuso diviso in due scompartimenti A e B comunicanti tra loro tramite una fenditura L piuttosto grande e che può essere chiusa tramite un fermo. Nella parte A mettiamo una mole di gas ideale1, mentre nella parte B immaginiamo il vuoto. Quando viene tolto il fermo, le particelle di gas ideale, obbedendo alla legge dell’urto elastico e muovendosi di moto uniforme, in un certo intervallo di tempo si distribuiscono equamente nei due scomparti (salvo fluttuazioni casuali abbastanza limitate).

Come si può facilmente immaginare il moto delle particelle è costituito da singoli atti di moto perfettamente reversibili, ma il risultato di tutti questi atti è un fenomeno irreversibile: infatti appare logico che la distribuzione iniziale nella quale tutte le particelle si trovano in A non si ricomponga più spontaneamente. In altre parole lo stato iniziale evolve spontaneamente verso uno stato in cui le molecole tendono ad essere distribuite in modo uniforme.

Quindi se si accetta la teoria cinetica del calore, risulta chiaramente il fatto che i fenomeni termici (il calore è legato al moto delle particelle) abbiano un’evoluzione preferenziale verso stati di equidistribuzione della materia (particelle) e dell’energia costituente il sistema.

Secondo la visione di Boltzmann il principio di entropia si può pensare come un principio di probabilità che un certo stato si verifichi: la natura preferisce , cioè, uno stato più probabile che uno meno probabile. Per fare ciò occorre stabilire che cosa sono i microstati e i macrostati. Un microstato è una condizione in cui un sistema si può trovare, una delle possibili combinazioni, dati gli elementi, per esempio il tipo di molecole e la quantità di molecole. Definiremo macrostato, invece ,lo stato fisico del gas formato dalle molecole, individuato dai parametri P,V e T. Sappiamo che dato un certo numero di oggetti, noi possiamo costruire un numero definito di combinazioni, che chiameremo distribuzioni: ciascuna distribuzione corrisponderà ad un microstato.

Se immaginiamo la scatola di prima con i due scomparti possiamo affermare che:
un sistema fisico altamente ordinato è realizzato da un basso numero di microstati ed è caratterizzato da un elevato squilibrio energetico e quindi da un’alta attitudine di trasformare energia in lavoro, pertanto ad esso è associato una basso valore di entropia.( caso A)
Un sistema altamente disordinato è realizzato da un alto numero di microstati, da un basso squilibrio energetico e da un bassa attitudine trasformare energia in lavoro: ad esso è associabile un lato valore di entropia( caso B).

In altre parole:
l’ordine di un sistema fisico è inversamente proporzionale al numero dei microstati che realizzano il particolare macrostato nel quale il sistema si trova.

In termini matematici:

ΔS=k.ln(N)

dove N è il numero di microstati e k è la costante di Boltzmann.: più alto è N e più alta sarà la variazione di entropia.
Riassumendo l’introduzione matematica della probabilità nell’entropia dà un significato diverso alla termodinamica stessa: il fatto che un corpo più caldo ceda calore ad un corpo più freddo è solo enormemente probabile, non assolutamente necessario e il secondo principio può,ora, essere definito come il principio del disordine elementare( da La conoscenza del mondo fisico di Planck).

BOLTZMANN

Se consideriamo una trasformazione termodinamica che parte da uno stato A e arriva ad uno stato B, attraverso tante trasformazioni quasi-statiche( cioè trasformazioni che sono formate da variazioni minime , molto prossime all’equilibrio) a temperatura costante, possiamo affermare che la variazione di entropia di AB è data da :

se n sono le trasformazioni isoterme in cui abbiamo suddiviso la trasformazione AB . Se le variazioni all’interno del percorso AB sono così repentine da dover considerare delle trasformazioni infinitesime allora occorre ricorrere ad un operatore matematico più sofisticato, detto integrale, che ne calcoli opportunamente il valore: la somma di tutti questi scambi energetici siano essi finiti o infinitesimi, permette di individuare la variazione di entropia.

Boltzmann, altro scienziato che si è occupato di entropia , affermava che :
‘l’energia di cui abbiamo bisogno è sempre quella che è disponibile sotto forma di lavoro o di moto osservabile. Le vibrazioni puramente termiche, invece , ci sfuggono di mano, non sono avvertibili con i sensi e sono per noi, sinonimo di questo; da qui il fatto per cui la forma termica dell’energia è stato definita un’energia dissipata o degradata cosi che la seconda legge della termodinamica proclama la necessità di una graduale costante degradazione dell’energia stessa , sino ad un punto in cui dovrebbero cessare tutte le tensioni in grado di sviluppare ancora lavoro e tutti i movimenti osservabili nell’universo. Tutti i tentativi di salvare l’Universo da questa morte termica sono stati infruttuosi e per evitare di coltivare speranze che non sono in grado di soddisfare lasciatemi pure dire che anch’io eviterò di fare tentativi del genere’.

L'ENTROPIA

La relazione che esprime il rendimento di una macchina termica , che opera fra due sole sorgenti a temperatura T2 e T1, evidenzia il fatto che la conversione di calore in lavoro è tanto più completa quanto più alto è il salto di temperatura fra le due sorgenti.
Il vantaggio di disporre energia ad alta temperatura emerge anche dall’analisi dei fenomeni naturali: ad esempio solo l’energia solare permette i processi fisico-chimici della fotosintesi, ma, una volta utilizzata tale energia non risulta più sfruttabile.
La tendenza delle trasformazioni energetiche verso una condizione di inutilizzabilità meccanica dell’energia stessa, può essere descritta da una nuova grandezza fisica chiamata Entropia.
L’entropia è una funzione di stato, cioè dipende dallo stato del sistema e non dalle modalità con cui si è arrivato allo stesso e, come spesso succede in Fisica, noi ne possiamo calcolare la variazione più che il valore assoluto, in quanto è proprio la variazione di entropia ad essere significativa, poichè individua l’evoluzione spontanea di un sistema fisico.
Non tutti sanno che tutti gli oggetti che ci circondano, oltre alle normali caratteristiche fisiche (forma, colore, massa..), hanno anche un valore di entropia, né tantomeno sanno come “misurare” questo valore.
L’entropia, al contrario di alcune grandezze fisiche che si mantengono costanti (energia, massa, quantità di moto), non si conserva, non si trasferisce da una parte all’altra di una parte di sistema,ma aumenta sempre. Solo nel caso di trasformazioni reversibili la variazione risulta nulla , ma si tratta di casi molto speciali.
Il primo che introdusse il concetto di entropia fu Clausius: egli la definì come il rapporto tra quantità di calore scambiato in una trasformazione reversibile e la temperatura alla quale è avvenuto lo scambio. L’unità di misura utilizzata da Clausius fu il J/K., essendo una grandezza derivata dal rapporto di una quantità di calore e di una temperatura.

LA NEGAZIONE DELL'ENUNCIATO DI CLAUSIUS IMPLICA LA NEGAZIONE DELL'ENUNCIATO DI KELVIN

La dimostrazione del fatto che la negazione dell'enunciato di Clausius implica la negazione dell'enunciato di Kelvin è del tutto analoga alla dimostrazione precedente.

Ipotizziamo di negare l’enunciato di Clausius e cioè:

‘E' possibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo

Allora prendiamo una macchina frigorifera e preleviamo una calore Qf dalla sorgente più fredda e lo portiamo ad una più calda senza compiere alcun lavoro. A tale sistema associamo ora una macchina termica che lavori fra due sorgenti e facciamo in modo che generi un lavoro che sia proprio pari a alla differenza fra il calore ceduto dalla sorgente calda Qc e quello ricevuto dalla sorgente fredda





Potremmo osservare che la combinazione delle due macchine termiche, una frigorifera e una termica danno come bilancio finale un lavoro che è pari esclusivamente al calore fornito dalla sorgente più calda , in chiara violazione dell’enunciato di Kelvin.




Matematicamente





Globalmente è come se avessimo una macchina ciclica che fa questo:

LA NEGAZIONE DELL'ENUNCIATO DI CLAUSIUS IMPLICA LA NEGAZIONE DELL'ENUNCIATO DI KELVIN

EQUIVALENZA DEGLI ENUNCIATI DI KELVIN E CLAUSIUS

La negazione dell'enunciato di Kelvin implica la negazione dell'enunciato di Clausius
Negare l'enunciato di Kelvin significa ammettere che :
‘è possibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia assorbire calore da un’unica sorgente e convertirlo tutto in lavoro’.
Ipotizziamo allora che questo lavoro possa essere utilizzato da una macchina frigorifera, la quale estrarrà calore da una sorgente a temperatura più bassa ad una più calda. Se facciamo in modo che il lavoro fornito dalla macchina di Kelvin negato sia proprio quello necessario alla macchina frigorifera, quello che osserveremo è che negheremo l’enunciato di Clausius, in quanto ,applicando il primo principio della termodinamica al sistema composto si verifica che, così quella fornita della sorgente senza che venga effettuato alcun lavoro dall'esterno.
Il sistema composto si comporta come un frigorifero che estrae calore dalla sorgente fredda e lo cede alla calda senza che venga eseguito alcun lavoro. Si comporta come un frigorifero che a tutti gli effetti che viola il postulato di Clausius. Matematicamente si osserva che:







Lo schema che riassume quanto precedentemente affermato ci dice che se il sistema lavora ciclicamente la sorgente calda riceverà ad ogni ciclo una quantità di calore pari 500 j passando da una sorgente più fredda ad una più calda senza l’ausilio di un lavoro esterno, in chiara violazione dell’enunciato di Clausius.

IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Il secondo principio della termodinamica ha una storia alquanto singolare: esso nasce da una formalizzazione di un osservazione sperimentale: i fenomeni termici che accadono in natura, sono di norma irreversibili ed hanno un direzione preferenziale.

Lo stesso Carnot riferendo che: ‘in una qualunque macchina termica , operante fra due sorgenti di calore , un fluido scambia calore con queste , ricevendolo dalla sorgente a temperatura più alta e cedendone a quella con temperatura più bassa, producendo un movimento ciclico di parti meccaniche’, in qualche modo descrive il secondo principio della termodinamica.
Questa prima formulazione, infatti, portò a due enunciati formalmente diversi, ma ad essa equivalenti.

Enunciati della seconda legge

Enunciato di Clausius

E' impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo

E' importante evidenziare ‘ unico risultato ‘ perchè in effetti si potrebbe anche avere passaggio di calore da un corpo freddo a un corpo caldo, ma per fare ciò occorre utilizzare dell’energia dall’esterno, in altre parole in natura è spontanea solo la prima trasformazione

Enunciato di Lord Kelvin

E' impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire calore da un'unica sorgente e trasformarlo integralmente in lavoro


Di nuovo occorre evidenziare ‘unico risultato’ in quanto se ipotizziamo, ad esempio, una dilatazione isoterma in cui il calore assorbito si trasforma in lavoro,potremmo dire di avere trovato un modo per smentire l’enunciato, ma questo non è l'unico risultato della trasformazione, in quanto essa non è ciclica e alla fine il gas risulta variato in volume e in pressione.

Proviamo ora a verificare che i due enunciati sono equivalenti cioè che negando un enunciato si incorre in una contraddizione dell’altro e viceversa.

JOULE, HELMHOLZ E CLAUSIUS

Un altro importante personaggio che contribuì alla formulazione del principio fu James Prescott Joule, che tra il 1841 e il 1849, avviò una serie di studi per verificare l’equivalenza tra calore e lavoro. Egli riuscì a dimostrare la sua tesi tramite il suo celebre esperimento:



In un calorimetro a pareti isolanti contenente una massa d’acqua ma , si introduce un mulinello privo di attrito, dotato di palette rotanti. Il sistema viene messo in rotazione dalla caduta di due pesi di massa m posti ad una altezza h da terra. Una volta che le palette si sono fermate a causa dell’attrito con il liquido, introduce nel recipiente una miscela d acqua e ghiaccio a condizioni normali; lo scioglimento di una parte della massa di ghiaccio permette di misurare il calore assorbito dalla miscela introdotta. Ma perché il ghiaccio si scioglie?

I pesi, cadendo, trasformano la loro energia potenziale in energia cinetica di rotazione del mulinello, che si ferma dopo un certo di intervallo di tempo. Ciò significa che tutta l’energia meccanica si è dissipata negli attriti trasformandosi in altra forma di energia: quest’ultima ha provocato un innalzamento della temperatura dell’acqua contenuta nel calorimetro. Di qui possiamo dedurre che l’energia meccanica si è trasformata in calore assorbito dall’acqua. A seguito di queste deduzioni Joule, inoltre poté quantificare l’equivalente meccanico del calore e cioè a 4,186 j/cal, in pratica una caloria equivale a 4,186 joule.
Joule aveva dimostrato sperimentalmente che un’energia meccanica esterna si trasforma integralmente in una variazione di energia interna di un liquido, manifestandosi infatti come una variazione di temperatura per poi trasformarsi in calore di fusione del ghiaccio. Si scoprirà soltanto più avanti che questa energia interna dipende solo dalla fase iniziale e finale dell’acqua, per cui può essere considerata come una grandezza caratteristica dello stato del liquido, ossia una funzione di stato. Una variazione di energia interna ∆U può essere causata da una qualsiasi variazione di pressione, volume o temperatura della sostanza.
Joule, oltre a questo contributo volto a dimostrare l’equivalenza tra calore e lavoro, portò anche alla definizione, ancora oggi accettata di calore. Infatti grazie al suo contributo fu definitivamente abbandonata l’idea del calore come un fluido che si trasferisce da un corpo ad un altro tramite contatto, e si accettò la teorica cinetica del calore, ovvero il calore non è più inteso come un fluido ma come un movimento.


Infine grazie all’opera di Hermann Helmholz e di Rudolf Clausius si poté, arrivare all’enunciato, noto come il primo principio della termodinamica: nel 1850 essi pubblicarono una memoria in cui presentavano la prima teoria matematicamente rigorosa in grado di unire il principio di equivalenza formulato da Joule con la teoria cinetica dei gas proposta da Clausius . La formulazione che ne usci:
“il lavoro può trasformarsi in calore e il calore in lavoro, secondo la legge:

Q=∆U+L

È da notare che il principio non prende le grandezze come assolute ma le loro variazioni: lo scambio di energia, in termodinamica, avviene solo nel passaggio da uno stato all’altro di un sistema. La conservazione dell’energia totale è un principio della natura che si applica alle variazioni di stato: meccanico, termodinamico, chimico, elettromagnetico, quantistico dei corpi.

IL "PRINCIPIO GENERALIZZATO" DELLA CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA

Nel caso specifico dell’enunciazione del primo principio della termodinamica non è agevole identificare un singolo scienziato che abbia il merito di aver scoperto il “principio generalizzato” della conservazione dell’energia, infatti durante il trentennio che va dal 1830 al 1860, moltissimi scienziati tra studiosi autodidatti, fisici, ingegneri e medici espressero una loro idea della conservazione dell’energia, con formulazioni differenti e con motivazioni ed esperimenti diversi.

Era nell’aria il fatto che in quegli anni si arrivasse all’idea, oramai presente nell’immaginario collettivo, di energia e ad una sua formulazione concettuale riconosciuta e univoca.

Questa situazione fu superata in quanto intervennero:

• Fattori scientifici: dalla scoperta di contatti sempre più stretti tra fenomeni magnetici, elettrici, meccanici, termici, chimici e biologici che spingevano a far pensare l’esistenza di una grandezza unificatrice che potesse riunire sotto la stessa spiegazione numerosi fenomeni naturali;

• Fattori tecnico-scientifici: rispondere ai problemi posti dalle nuove macchine termiche;

• Fattori culturali: la diffusa idea di filosofi, letterati ed artisti che la natura dovesse essere interpretata come una manifestazione di un principio attivo fondamentale.

Uno dei primi ad ipotizzare un concetto generalizzato di energia, in corsa verso l’enunciazione del principio, fu il medico tedesco Robert j. Mayer (1814-1878).

Il suo campo di azione era la fisiologia ed in particolare il problema sull’origine del calore animale. Lavorando in questo ambito arrivò ad enunciare nel 1842 un principio di equivalenza tra il lavoro meccanico di un gas perfetto (o ideale) ed il calore, partendo a studiare i calori specifici dei gas ideali. Egli considerò il calore specifico molare di un gas ideale a pressione costante cp e a volume costante cv.

Entrambi misuravano la quantità di calore che può scambiare una mole di gas per variare di un grado la sua temperatura, lo scambio può avvenire a pressione costante (isobora) o a volume costante (isocora).

Il risultato dei suoi studi si riassumono nella sua relazione detta appunto relazione di Mayer:

Cp-cv=R

UNA NUOVA GRANDEZZA: L'ENERGIA INTERNA

Si è prima detto che l’energia interna dell’universo si conserva, ma che cosa intendiamo per energia interna?

Quale è il suo ruolo nell’ambito di un sistema termodinamico?

Un sistema in un certo stato possiede una energia interna U costituita dalla somma di tutte le energie (cinetiche e potenziali) delle particelle che lo compongono. Essa può essere variata durante una trasformazione del sistema tramite scambi di calore e/o di lavoro con l'ambiente.

Se teniamo conto di questa nuova grandezza, resa più chiara dalla teoria cinetica dei gas, il nuovo bilancio energetico si otterrà sommando algebricamente tutti gli scambi di calore (segno positivo per calore assorbito dal sistema, negativo per calore ceduto) e sottraendo a questo valore la somma algebrica dell'energia spesa come lavoro (segno positivo per lavoro motore del gas che si espande, segno negativo per lavoro resistente del gas che viene compresso).

Matematicamente il tutto si traduce con:
ΔU = Qtot - Ltot= 0

Come avviene per la pressione, il volume, la temperatura, alla fine di un ciclo anche l'energia interna U del gas ritorna al suo valore iniziale.

Questo ci permette di dire che l'energia interna U è una funzione di stato, e cioè che non dipende dal modo con cui l’abbiamo variata, ma solo dagli stati iniziale e finale.

Infatti, nella transizione da un stato iniziale A ad uno stato finale B, il calore e il lavoro dipendono dal particolare percorso seguito, ma la variazione ΔU di energia interna dipende unicamente dallo stato iniziale e da quello finale.

Quanto detto ci permette di arrivare ad una formulazione del primo principio della termodinamica:
In una trasformazione l'energia interna U può variare sia per scambi termici Q, sia per scambi meccanici L. La variazione di energia interna vale: ΔU = Q - L

Attenzione, nell'applicare il primo principio occorre ricordare la convenzione sui segni algebrici:
· Q è positivo se si trasferisce dall'ambiente al sistema
· Q è negativo se si trasferisce dal sistema all'ambiente
· L è positivo se il sistema fa lavoro motore (espansione)
· L è negativo se il sistema fa lavoro resistente (compressione)
La convenzione dei segni sia per il calore, sia per il lavoro dipende dal fatto che vediamo le cose riferite al sistema. Il calore che entra nel sistema è anche calore che esce dall'ambiente e viceversa, così come ad un lavoro positivo del gas corrisponde un lavoro opposto dell'ambiente.In termodinamica il primo principio afferma che anche il calore, oltre al lavoro, è un modo di trasferire energia.

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA E CONCETTO DI SISTEMA ISOLATO

Il primo principio della termodinamica nasce dal principio di conservazione dell’energia meccanica e dall’equivalenza del calore–lavoro emersa dagli esperimenti di Joule.

Per capirlo sino in fondo occorre dare alcune definizioni che sono alla base della sua comprensione.

In termodinamica si utilizzano dei gas ideali per effettuare delle opportune trasformazioni e valutarne gli effetti.

Un sistema si dice isolato termicamente se non ci sono scambi di calore (Q = 0). Questo avviene se il gas è racchiuso in un contenitore di materiale isolante che non permette il passaggio di calore.
Un sistema si dice isolato meccanicamente se non ci sono scambi di lavoro (L = 0). Questo avviene se il contenitore non aumenta né diminuisce di volume.

Un sistema è isolato se è isolato sia termicamente, sia meccanicamente.

In un sistema isolato l'energia interna U rimane costante.Se consideriamo come sistema l'intero Universo, possiamo senz'altro assumere che esso sia isolato, dato che, per definizione, non può esistere un ambiente esterno all'Universo. L'energia totale dell'Universo si conserva.

Quali legami ci sono tra il primo principio della termodinamica e il principio di conservazione dell'energia meccanica?

BLOG DI APPROFONDIMENTO DI FISICA

Benvenuti nel blog dedicato alla termodinamica, costruito nell'ambito del progetto TEKNE.

Approfondiremo insieme alcuni argomenti fondamentali:
- Il primo principio della termodinamica
- Il secondo principio della termodinamica
- Il concetto di entropia
- Il concetto di entralpia

Iniziamo :-)

Che cosa sancisce il primo principio della termodinamica?