LEZIONE 7:TERMODINAMICA (LAVORO = ENERGIA = CALORE) …”tutto si trasforma…”

0
2877

 

L’esperienza insegna che se avviciniamo un corpo che abbiamo riscaldato A , a un corpo freddo, diremo che il primo è più caldo per la sensazione di calore che avvertiamo quando riavviciniamo.

La grandezza scalare che misura queste sensazioni è detta Temperatura.

Cosa si intende per temperatura? Cosa accade se io avvicino un corpo caldo  a uno freddo? E soprattutto che differenza c’è tra Temperatura e Calore?

 

La termodinamica studia la complessa fenomenologia che deriva dagli scambi energetici tra un sistema e l’ambiente, in particolare le trasformazioni di lavoro in calore e di lavoro in calore.

Ci sono dei principi fondamentali scoperti dall’esperienza e che regolano gli scambi energetici.

Se forniamo una certa quantità di calore ad un corpo ( sistema)  operando che la temperatura rimanga costante scopriamo che il sistema compie un lavoro o muta il suo stato di aggregazione, ovvero interagisce con l’ambiente esterno. Queste considerazione portarono Mayer ad asserire che doveva esistere un rapporto costante tra lavoro e calore. Successivamente nel 1843 Joule lo dimostrò sperimentalmente. Con un semplice marchingegno , un mulinello immerso nell’acqua, Joule calcolò tale rapporto. Praticamente, quando una data quantità di lavoro viene integralmente convertita in calore, si sviluppa sempre la stessa quantità di calore.

 

IMPORTANTE

Per convenzione, comunemente adottate quando si studia fenomeni termodinamici, viene contrassegnato con un segno algebrico il verso delle due forme di energia Q= calore L=lavoro.

Il Q è negativo o positivo quando il sistema assorbe o cede calore all’esterno. Il Lavoro L è positivo o negativo a seconda che rispettivamente il sistema compie lavoro o subisce lavoro dall’esterno.

 

Immaginiamo un contenitore pieno di gas chiuso da un pistone di superficie S e proviamo a riscaldare la parte inferiore del contenitore, cosa accade? L’ acqua si riscalda aumenta il suo volume e sposta il pistone di un tratto h.

In questo caso il sistema ha compiuto un lavoro sui corpi circostanti  quindi per convenzione è positivo ( se invece il volume diminuisce, il sistema assorbe lavoro dall’esterno).

Se il volume aumenta e il pistone si sposta di h allora il volume  varia di un Delta V= V2-V1=Sh, la forza esercitata dal gas sul pistone è pS, quindi il lavoro compiuto dal gas durante l’espansione è pertanto:

L=pSh=pDVdove ( D è detto Delta cioè la variazione del volume)

Osservazione: (La pressione è mantenuta constante,  considerata la pressione esterna applicata  al pistone e non la pressione interna del gas)

 

C’è da dire che per far alzare il pistone abbiamo dovuto sottrarre un certa quantità di Calore Q che è stata maggiore dell’energia meccanica (Lavoro compiuto).

Q>L

 Per il principio di conservazione esaminato nelle altre lezioni, possiamo affermare che, una quantità di energia fornita è rimasta immagazzinata all’interno del sistema e viene detta  energia interna ed è indica in fisica con la letta U ( essa non dipende dalla trasformazione, cioè dal modo di scambiare calore e lavoro, bensì solo dallo stato finale ed iniziale del processo ed è per questo motivo che si misura solo le variazioni delta= DU= U2-U1 dell’energia interna).

 

 

Primo principio della termodinamica

 

Come per l’energia potenziale in meccanica , l’energia U associata alle proprietà del sistema è un funzione di stato mentre non lo sono Q ed L in quanto rappresentano  solo due modalità per trasferire o per trasmettere energia.

Le considerazioni precedenti si possono riassumere nel principio fondamentale :

Q=L+DU

Tale relazione comprende come il caso particolare il principio di equivalenza, se la trasformazione è ciclica, lo stato finale e lo stato iniziale coincidono la variazione U è uguale a zero cioè

Q-L=0 che esprimono bene il fatto che calore e lavoro come due forme di una stessa grandezza fisica : l’ENERGIA

 

Possiamo definire il calore  come una forma di energia in transito attraverso un contorno a causa di una differenza di temperatura fra l’interno del contorno e il mezzo circostante.

voglio precisare che tutti questi concetti è possibile esprimerli interini particellari.

 

 SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

… l’impossibilità di produrre in continuità energia meccanica dal raffreddamento di un sistema….. 

 

La formazione di energia termica in energia meccanica viene di solito effettuata adoperando soprattutto i fluidi. Riscaldando infatti un fluido esso si espande compiendo un lavoro verso l’ esterno  a spese del calore sottratto alla sorgente.

Se vogliamo ottenere un processo continuativo, è necessario ricorrere a un dispositivo che possa ritornare periodicamente nelle stesse condizioni di partenza, che lavori cioè mediante una successioni di operazioni cicliche.

In pratica, per riportare il sistema nelle condizioni iniziali, basta comprimere sottraendo il calore  comprensione mediante il contatto diretto con una sorgente a temperatura piuttosto bassa.

FONDAMENTALE: usufruendo almeno di due sorgenti a diversa temperatura , mediante un processo ciclico che consenta il trasferimento di una parte del calore da quella a temperatura maggiore a quella a temperatura minore, possiamo produrre energia e compiere un lavoro nel senso meccanico del termine. La variazione di energia interna nel sistema appena descritto essendo ciclica è DU=0 quindi dal primo principio abbiamo:

SommediQ=L

dove somme di Q rappresenta la somma algebrica delle quantità di calore scambiate dal sistema fluido- sorgenti.

In particolare, se per ogni ciclo indichiamo con Q2 il calore sottratto dal fluido alla sorgente a temperatura maggiore T2 e con Q1 quello ceduto a temperatura minore T1 sarà solo la differenza tra Q2-Q1 si trasforma in lavoro utile: Q2-Q2=L

 

Da quest’ultima relazione si capisce  che non tutto il calore sottratto alla sorgente a temperatura maggiore si trasforma in lavoro, bensì solo una parte, mentre la rimanente viene, come spesso si dice, dissipata. Per questo particolare motivo il calore rappresenta, una forma di energia di SECONDA SPECIE.

 

FINO AD ORA NESSUNO è MAI RIUSCITO a produrre con continuità energia meccanica

dal solo raffreddamento di un sistema, cioè nessuno è mai riuscito  a costruire una macchina reale che possa trasformare in lavoro in calore sottratto da una SOLA sorgente senza cedere una minima quantità finita ad un’altra a temperatura minore (impossibilità del moto perpetuo di seconda specie).

 

Per ottenere lavoro untile è necessario avere due sistemi non in equilibrio termodinamico, perché solo così risulta possibile provocare il passaggio di calore da un corpo all’altro e quindi produrre energia meccanica.

 

A tale proposito enunciamo il principio si Kelvin che afferma: E’ impossibile realizzare una trasformazione il cui risultato finale sia solo e solamente quello di convertire in energia meccanica o elettromagnetica il calore prelevato da una sola sorgente.

Quello che  qualifica in modo preminente l’enunciato è quel solo e solamente, senza tale espressione non ci sarebbe impossibilità.

 

Mentre il primo principio della termodinamica regola la perfetta parità nel bilancio delle trasformazioni da una forma di energia ad un’ altra, il secondo conferma le condizioni necessarie affinché possano aver luogo le trasformazioni del calore in energia meccanica o elettromagnetica che sono alla base di ogni operazione industriale.

 

Se non esistesse il secondo principio, l’uomo avrebbe potuto ricavare, calore dalla terra, dal mare , dal cielo e utilizzarlo direttamente come fonte di energia.

 

 

 per una settimana interrompiamo le lezioni per poi  ricominciare col l’elettromagnetismo, luce..particelle grazie ancora per le numerose mail che arrivano alla redazione …