Fisica classica/Trasformazioni termodinamiche: differenze tra le versioni

Wikibooks, manuali e libri di testo liberi.
Contenuto cancellato Contenuto aggiunto
Nuovo argomento
 
Ramac (discussione | contributi)
m sistemato
Riga 1: Riga 1:
[[Fisica_classica/Calore| Argomento precedente: Calore]]
[[Fisica_classica/Calore| Argomento precedente: Calore]]


Chiamiamo sistema termodinamico una porzione dell'universo che può essere costituita da una o
Chiamiamo sistema termodinamico una porzione dell'universo che può essere costituita da una o più parti, ad esempio un fluido omogeneo contenuto in un recipiente, una miscela di gas contenuto in un recipiente, un solido omogeneo, un sistema non omogeneo, una automobile che consuma carburante ecc.
più parti, ad esempio un fluido omogeneo contenuto in un recipiente, una miscela di gas contenuto
in un recipiente, un solido omogeneo, un sistema non omogeneo, una automobile che consuma carburante ecc.
Si intende come ambiente il resto del mondo con cui il sistema interagisce scambiando materia,
lavoro meccanico o calore.


Si intende come ambiente il resto del mondo con cui il sistema interagisce scambiando materia, lavoro meccanico o calore.
Un sistema si dice aperto se scambia con l'ambiente materia ed energia: ad esempio una pentola
aperta piena d'acqua su un fornello. Il sistema si dice chiuso se non scambia materia con
l'ambiente, ma scambia energia (ad esempio la Terra a parte le meteoriti non scambia materia
con il resto del sistema solare, ma riceve energia termica dal sole e ne irradia dalla parte
non illuminata). Infine il sistema è detto isolato se non avvengono scambi di energia e di materia
con l'ambiente, l'universo termodinamico formato da un sistema e dall'ambiente è ovviamente un sistema isolato.


Un sistema si dice aperto se scambia con l'ambiente materia ed energia: ad esempio una pentola aperta piena d'acqua su un fornello. Il sistema si dice chiuso se non scambia materia con l'ambiente, ma scambia energia (ad esempio la Terra a parte le meteoriti non scambia materia con il resto del sistema solare, ma riceve energia termica dal sole e ne irradia dalla parte non illuminata). Infine il sistema è detto isolato se non avvengono scambi di energia e di materia con l'ambiente, l'universo termodinamico formato da un sistema e dall'ambiente è ovviamente un sistema isolato.
Un sistema termodinamico statico non ha molto interesse, quello che interessaè la sua evoluzione

nel passaggio da uno stato ad un altro tale processo viene chiamato normalmente una trasformazione
termodinamica. La classificazione delle trasformazioni termodinamiche (le varie tipologie non si
Un sistema termodinamico statico non ha molto interesse, quello che interessaè la sua evoluzione nel passaggio da uno stato ad un altro tale processo viene chiamato normalmente una trasformazione termodinamica. La classificazione delle trasformazioni termodinamiche (le varie tipologie non si escludono) è la seguente:
escludono) è la seguente:


===Trasformazioni fra stati di equilibrio===
===Trasformazioni fra stati di equilibrio===
Gli stati iniziali e finali sono caratterizzati da ben precise variabili termodinamiche di equilibrio iniziale e finale, nel caso più generale possibile durante la trasformazione
Gli stati iniziali e finali sono caratterizzati da ben precise variabili termodinamiche di equilibrio iniziale e finale, nel caso più generale possibile durante la trasformazione non sono definite le variabili termodinamiche di stato e quindi il sistema non è descrivibile in maniera semplice.
non sono definite le variabili termodinamiche di stato e quindi il sistema non è
descrivibile in maniera semplice.


Ha particolare importanza un piano cartesiano in cui sull'asse delle ordinate figura il volume del sistema e sull'asse verticale la pressione del sistema stesso: tale piano viene detto piano di Clapeyron ed è particolarmente utile per descrivere i sistemi termodinamici in cui i fluidi giocano un ruolo essenziale. In genere una trasformazione per stati di equilibrio non è descrivibile altro che come due punti sul piano di Clapeyron lo stato iniziale e quello finale.
Ha particolare importanza un piano cartesiano in cui sull'asse delle ordinate figura
il volume del sistema e sull'asse verticale la pressione del sistema stesso: tale piano viene detto
piano di Clapeyron ed è particolarmente utile per descrivere i sistemi termodinamici in cui i fluidi
giocano un ruolo essenziale. In genere una trasformazione per stati di equilibrio non è dscrivibile
altro che come due punti sul piano di Clapeyron lo stato iniziale e quello finale.


===Trasformazione per stati di equilibrio o quasi statica===
===Trasformazione per stati di equilibrio o quasi statica===
Questa è un caso particolare di trasformazione fra stati di equilibrio.
Questa è un caso particolare di trasformazione fra stati di equilibrio.
La trasformazione può avvenire lentamente per passaggi successivi di stati equilibrio termodinamico, in tale caso posso rappresentare istante per istante il sistema attraverso le sue variabili termodinamiche. Consideriamo la compressione del gas contenuto in un pistone, se noi
appoggiamo un peso macroscopico sul pistone esso comprimerà il gas rapidamente provocando
stati di non equilibrio meccanico (differenza di pressione interna e spostamenti macroscopici
della masse di gas e persino variazioni locali di temperatura). Una compressione per stati
di equilibrio viene effettuata se successivamente vengono disposti, in lenta serie, uno dopo
l'altro dei pesi infinitesimi in modo che la trasformazione avvenga per stati senza movimenti macroscopici.


La trasformazione può avvenire lentamente per passaggi successivi di stati equilibrio termodinamico, in tale caso posso rappresentare istante per istante il sistema attraverso le sue variabili termodinamiche. Consideriamo la compressione del gas contenuto in un pistone, se noi appoggiamo un peso macroscopico sul pistone esso comprimerà il gas rapidamente provocando stati di non equilibrio meccanico (differenza di pressione interna e spostamenti macroscopici della masse di gas e persino variazioni locali di temperatura). Una compressione per stati di equilibrio viene effettuata se successivamente vengono disposti, in lenta serie, uno dopo l'altro dei pesi infinitesimi in modo che la trasformazione avvenga per stati senza movimenti macroscopici.
Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata una linea continua. Il lavoro compiuto

è pari all'area al di sotto della curva: tale lavoro è positivo se lo stato iniziale è a sinistra di quello finale, negativo nel caso opposto.
Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata una linea continua. Il lavoro compiuto è pari all'area al di sotto della curva: tale lavoro è positivo se lo stato iniziale è a sinistra di quello finale, negativo nel caso opposto.


===Trasformazioni reversibili===
===Trasformazioni reversibili===
Questo è un caso particolare di trasformazione quasi statica. La trasformazione è reversibile se è possibile eseguire la trasformazione in senso inverso riportando sia il sistema che l'ambiente esterno nelle condizioni iniziali. Questo vuole dire che le sorgenti di calore recuperano la quantità di calore scambiata nella trasformazione diretta e così i dispositivi meccanici recuperano l'energia meccanica ceduta al sistema nel processo diretto.
Questo è un caso particolare di trasformazione quasi statica. La trasformazione è
reversibile se è possibile eseguire la trasformazione in senso inverso riportando sia il sistema che l'ambiente esterno nelle condizioni iniziali. Questo vuole dire che le sorgenti di calore recuperano la quantità di calore scambiata nella trasformazione diretta e così
i dispositivi meccanici recuperano l'energia meccanica ceduta al sistema nel processo diretto.
La reversibilità di una trasformazione richiede che i movimenti delle parti siano fatti
senza attrito, che gli scambi di temperatura tra le sorgenti ed il sistema siano fatti con differenze infinitesime di temperatura. Le trasformazioni reversibili sono delle trasformazioni
ideali in pratica non realizzabili mai esattamente.


La reversibilità di una trasformazione richiede che i movimenti delle parti siano fatti senza attrito, che gli scambi di temperatura tra le sorgenti ed il sistema siano fatti con differenze infinitesime di temperatura. Le trasformazioni reversibili sono delle trasformazioni ideali in pratica non realizzabili mai esattamente.


===Trasformazioni irreversibili===
===Trasformazioni irreversibili===
Tali trasformazioni non rispettano le condizioni delle trasformazioni reversibili.
Tali trasformazioni non rispettano le condizioni delle trasformazioni reversibili.
Enumerare le condizioni che determinano la irreversibilità di una trasformazione è
necessariamente non completa; sicuramente l'attrito nel senso lato (viscosità, attrito dinamico, deformazioni anelastiche, dissipazione di energia elettrica ecc) è
una causa di irreversibilità come anche se la trasformazione non avviene per una
sequenza finita di stati di equilibrio termodinamico. Ma anche mettere il sistema in contatto con una sorgente con differenza macroscopica di temperatura provoca irreversibilità.


Enumerare le condizioni che determinano la irreversibilità di una trasformazione è necessariamente non completa; sicuramente l'attrito nel senso lato (viscosità, attrito dinamico, deformazioni anelastiche, dissipazione di energia elettrica ecc) è
una causa di irreversibilità come anche se la trasformazione non avviene per una sequenza finita di stati di equilibrio termodinamico. Ma anche mettere il sistema in contatto con una sorgente con differenza macroscopica di temperatura provoca irreversibilità.


Le trasformazioni vengono inoltre classificate in funzione delle grandezze che vengono mantenute

costanti:
Le trasformazioni vengono inoltre classificate in funzione delle grandezze che vengono mantenute
costanti:


===Trasformazioni adiabatiche===
===Trasformazioni adiabatiche===
Sono le trasformazioni che avvengono senza scambio di calore con l'esterno. Tali trasformazione i possono essere reversibili ed irreversibili. Per potere avvenire una trasformazione di questo tipo necessita che non ci sia scambio di calore con il mondo esterno: quindi è essenziale l'isolamento termico con il mondo esterno, e se si vuole se il tempo è troppo lungo diventa una condizione impossibile in quanto per quanto efficiente sia il meccanismo di isolamento difficilmente è perfetto. Le trasformazioni adiabatiche hanno un ruolo cruciale nella termodinamica.
Sono le trasformazioni che avvengono senza scambio di calore con l'esterno. Tali trasformazione i

possono essere reversibili ed irreversibili. Per potere avvenire una trasformazione di questo
tipo necessita che non ci sia scambio di calore con il mondo esterno: quindi è essenziale
l'isolamento termico con il mondo esterno, e se si vuole se il tempo è troppo lungo
diventa una condizione impossibile in quanto per quanto efficiente sia il meccanismo di isolamento
difficilmente è perfetto. Le trasformazioni adiabatiche hanno un ruolo cruciale nella termodinamica.
Per avere una trasformazione adiabatica reversibile occorre che non vi sia attrito o dissipazione.
Per avere una trasformazione adiabatica reversibile occorre che non vi sia attrito o dissipazione.
===Trasformazioni isoterme===
===Trasformazioni isoterme===
Si chiama trasformazione isoterma una trasformazione termodinamica che avviene a temperatura
Si chiama trasformazione isoterma una trasformazione termodinamica che avviene a temperatura costante. In questo caso analogamente che nell'adiabatica per essere reversibile la trasformazione deve avvenire senza attrito o dissipazione. Ma è necessaria la presenza di una sorgente di calore

costante. In questo caso analogamente che nell'adiabatica per essere reversibile la trasformazione
deve avvenire senza attrito o dissipazione. Ma è necessaria la presenza di una sorgente di calore
===Trasformazione isocora===
===Trasformazione isocora===
Si chiama isocora una trasformazione in cui il volume non varia. Una trasformazione di questo tipo non produce lavoro meccanico, quindi non si pone il problema dell'attrito. In una trasformazione di questo tipo viene scambiato calore con delle sorgenti termiche. Notare che se la differenza di temperatura tra lo stato iniziale e finale è finita per garantire la reversibilità occorrono infinite fonti di calore tra le due temperature estreme per permettere la reversibilità della temperatura.
Si chiama isocora una trasformazione in cui il volume non varia. Una trasformazione di questo tipo
non produce lavoro meccanico, quindi non si pone il problema dell'attrito. In una trasformazione
di questo tipo viene scambiato calore con delle sorgenti termiche. Notare che se la differenza
di temperatura tra lo stato iniziale e finale è finita per garantire la reversibilità occorrono
infinite fonti di calore tra le due temperature estreme per permettere la reversibilità
della temperatura.


Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata, se avviene per stati di equilibrio, come una linea verticale.
Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata, se avviene per stati di equilibrio, come una linea verticale.


===Trasformazione isobara===
===Trasformazione isobara===
Si chiama isobara una trasformazione a pressione costante: nella atmosfera nei recipienti aperti
Si chiama isobara una trasformazione a pressione costante: nella atmosfera nei recipienti aperti questo tipo di trasformazioni sono molto comuni. La reversibilità di una trasformazione di questo tipo se non infinitesima, richiede infinite fonti di calore e mancanza di attrito.
questo tipo di trasformazioni sono molto comuni. La reversibilità di una trasformazione di questo
tipo se non infinitesima, richiede infinite fonti di calore e mancanza di attrito.


Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata, se avviene per stati di equilibrio, come una linea orizzontale.
Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata, se avviene per stati di equilibrio, come una linea orizzontale.


===Trasformazione ciclica===
===Trasformazione ciclica===
Tra le trasformazioni sono particolarmente interessanti quelle trasformazioni in cui lo stato iniziale coincide con lo stato finale. Tali trasformazioni sono dette cicliche o cicli. Un ciclo è quindi una trasformazione in cui il sistema termodinamico torna nel suo stato iniziale. Un ciclo nel piano di Clapeyron si rappresenta come una curva chiusa. Il lavoro compiuto è l'area racchiusa dalla curva stessa, tale lavoro è positivo se il ciclo viene percorso in senso orario: cioè in questo caso viene compiuto globalmente del lavoro dal sistema verso l'ambiente. Se lo stesso ciclo è percorso in senso antiorario il lavoro sarebbe stato negativo.
Tra le trasformazioni sono particolarmente interessanti quelle trasformazioni in cui lo stato iniziale coincide

con lo stato finale. Tali trasformazioni sono dette cicliche o cicli. Un ciclo è quindi
[[categoria:fisica classica|Trasformazioni termodinamiche]]
una trasformazione in cui il sistema termodinamico torna nel suo stato iniziale. Un ciclo nel piano di Clapeyron si rappresenta
come una curva chiusa. Il lavoro compiuto è l'area racchiusa dalla curva stessa, tale lavoro
è positivo se il ciclo viene percorso in senso orario: cioè in questo caso
viene compiuto globalmente del lavoro dal sistema verso l'ambiente. Se lo stesso ciclo è
percorso in senso antiorario il lavoro sarebbe stato negativo.

Versione delle 16:33, 7 lug 2008

Argomento precedente: Calore

Chiamiamo sistema termodinamico una porzione dell'universo che può essere costituita da una o più parti, ad esempio un fluido omogeneo contenuto in un recipiente, una miscela di gas contenuto in un recipiente, un solido omogeneo, un sistema non omogeneo, una automobile che consuma carburante ecc.

Si intende come ambiente il resto del mondo con cui il sistema interagisce scambiando materia, lavoro meccanico o calore.

Un sistema si dice aperto se scambia con l'ambiente materia ed energia: ad esempio una pentola aperta piena d'acqua su un fornello. Il sistema si dice chiuso se non scambia materia con l'ambiente, ma scambia energia (ad esempio la Terra a parte le meteoriti non scambia materia con il resto del sistema solare, ma riceve energia termica dal sole e ne irradia dalla parte non illuminata). Infine il sistema è detto isolato se non avvengono scambi di energia e di materia con l'ambiente, l'universo termodinamico formato da un sistema e dall'ambiente è ovviamente un sistema isolato.

Un sistema termodinamico statico non ha molto interesse, quello che interessaè la sua evoluzione nel passaggio da uno stato ad un altro tale processo viene chiamato normalmente una trasformazione termodinamica. La classificazione delle trasformazioni termodinamiche (le varie tipologie non si escludono) è la seguente:

Trasformazioni fra stati di equilibrio

Gli stati iniziali e finali sono caratterizzati da ben precise variabili termodinamiche di equilibrio iniziale e finale, nel caso più generale possibile durante la trasformazione non sono definite le variabili termodinamiche di stato e quindi il sistema non è descrivibile in maniera semplice.

Ha particolare importanza un piano cartesiano in cui sull'asse delle ordinate figura il volume del sistema e sull'asse verticale la pressione del sistema stesso: tale piano viene detto piano di Clapeyron ed è particolarmente utile per descrivere i sistemi termodinamici in cui i fluidi giocano un ruolo essenziale. In genere una trasformazione per stati di equilibrio non è descrivibile altro che come due punti sul piano di Clapeyron lo stato iniziale e quello finale.

Trasformazione per stati di equilibrio o quasi statica

Questa è un caso particolare di trasformazione fra stati di equilibrio.

La trasformazione può avvenire lentamente per passaggi successivi di stati equilibrio termodinamico, in tale caso posso rappresentare istante per istante il sistema attraverso le sue variabili termodinamiche. Consideriamo la compressione del gas contenuto in un pistone, se noi appoggiamo un peso macroscopico sul pistone esso comprimerà il gas rapidamente provocando stati di non equilibrio meccanico (differenza di pressione interna e spostamenti macroscopici della masse di gas e persino variazioni locali di temperatura). Una compressione per stati di equilibrio viene effettuata se successivamente vengono disposti, in lenta serie, uno dopo l'altro dei pesi infinitesimi in modo che la trasformazione avvenga per stati senza movimenti macroscopici.

Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata una linea continua. Il lavoro compiuto è pari all'area al di sotto della curva: tale lavoro è positivo se lo stato iniziale è a sinistra di quello finale, negativo nel caso opposto.

Trasformazioni reversibili

Questo è un caso particolare di trasformazione quasi statica. La trasformazione è reversibile se è possibile eseguire la trasformazione in senso inverso riportando sia il sistema che l'ambiente esterno nelle condizioni iniziali. Questo vuole dire che le sorgenti di calore recuperano la quantità di calore scambiata nella trasformazione diretta e così i dispositivi meccanici recuperano l'energia meccanica ceduta al sistema nel processo diretto.

La reversibilità di una trasformazione richiede che i movimenti delle parti siano fatti senza attrito, che gli scambi di temperatura tra le sorgenti ed il sistema siano fatti con differenze infinitesime di temperatura. Le trasformazioni reversibili sono delle trasformazioni ideali in pratica non realizzabili mai esattamente.

Trasformazioni irreversibili

Tali trasformazioni non rispettano le condizioni delle trasformazioni reversibili.

Enumerare le condizioni che determinano la irreversibilità di una trasformazione è necessariamente non completa; sicuramente l'attrito nel senso lato (viscosità, attrito dinamico, deformazioni anelastiche, dissipazione di energia elettrica ecc) è una causa di irreversibilità come anche se la trasformazione non avviene per una sequenza finita di stati di equilibrio termodinamico. Ma anche mettere il sistema in contatto con una sorgente con differenza macroscopica di temperatura provoca irreversibilità.

Le trasformazioni vengono inoltre classificate in funzione delle grandezze che vengono mantenute costanti:

Trasformazioni adiabatiche

Sono le trasformazioni che avvengono senza scambio di calore con l'esterno. Tali trasformazione i possono essere reversibili ed irreversibili. Per potere avvenire una trasformazione di questo tipo necessita che non ci sia scambio di calore con il mondo esterno: quindi è essenziale l'isolamento termico con il mondo esterno, e se si vuole se il tempo è troppo lungo diventa una condizione impossibile in quanto per quanto efficiente sia il meccanismo di isolamento difficilmente è perfetto. Le trasformazioni adiabatiche hanno un ruolo cruciale nella termodinamica.

Per avere una trasformazione adiabatica reversibile occorre che non vi sia attrito o dissipazione.

Trasformazioni isoterme

Si chiama trasformazione isoterma una trasformazione termodinamica che avviene a temperatura costante. In questo caso analogamente che nell'adiabatica per essere reversibile la trasformazione deve avvenire senza attrito o dissipazione. Ma è necessaria la presenza di una sorgente di calore

Trasformazione isocora

Si chiama isocora una trasformazione in cui il volume non varia. Una trasformazione di questo tipo non produce lavoro meccanico, quindi non si pone il problema dell'attrito. In una trasformazione di questo tipo viene scambiato calore con delle sorgenti termiche. Notare che se la differenza di temperatura tra lo stato iniziale e finale è finita per garantire la reversibilità occorrono infinite fonti di calore tra le due temperature estreme per permettere la reversibilità della temperatura.

Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata, se avviene per stati di equilibrio, come una linea verticale.

Trasformazione isobara

Si chiama isobara una trasformazione a pressione costante: nella atmosfera nei recipienti aperti questo tipo di trasformazioni sono molto comuni. La reversibilità di una trasformazione di questo tipo se non infinitesima, richiede infinite fonti di calore e mancanza di attrito.

Sul piano di Clapeyron questa trasformazione è rappresentata, se avviene per stati di equilibrio, come una linea orizzontale.

Trasformazione ciclica

Tra le trasformazioni sono particolarmente interessanti quelle trasformazioni in cui lo stato iniziale coincide con lo stato finale. Tali trasformazioni sono dette cicliche o cicli. Un ciclo è quindi una trasformazione in cui il sistema termodinamico torna nel suo stato iniziale. Un ciclo nel piano di Clapeyron si rappresenta come una curva chiusa. Il lavoro compiuto è l'area racchiusa dalla curva stessa, tale lavoro è positivo se il ciclo viene percorso in senso orario: cioè in questo caso viene compiuto globalmente del lavoro dal sistema verso l'ambiente. Se lo stesso ciclo è percorso in senso antiorario il lavoro sarebbe stato negativo.