1 – Fondamenti di Termodinamica
1 – Grandezze termodinamiche fondamentali
Le grandezze termodinamiche descrivono lo stato dei sistemi e i loro scambi di energia. Tra le principali:
| Grandezza | Simbolo | Unità SI | Tipo |
|---|
| Pressione | P | Pa (N/m2) | Intensiva |
| Volume | V | m³ | Estensiva |
| Temperatura | T | K | Intensiva |
| Energia interna | U | J | Estensiva |
| Entalpia | H=U+PV | J | Estensiva |
| Entropia | S | J/K | Estensiva |
Esempio 1 – Calcolo della pressione di un gas:
Gas ideale in un contenitore di volume
V=2L=2×10−3m3, temperatura
T=300K, mole di gas
n=0.1mol, costante dei gas
R=8.314J/(mol⋅K).
Pressione:
P=VnRT=2⋅10−30.1⋅8.314⋅300≈124710Pa≈1.25⋅105Pa.
2 – Sistemi termodinamici e stato di equilibrio
Tipologie di sistemi:
-
Sistema chiuso: scambia energia ma non massa con l’ambiente.
-
Sistema aperto: scambia energia e massa con l’ambiente.
-
Sistema isolato: non scambia né energia né massa.
Stato di equilibrio
Un sistema è in equilibrio se tutte le variabili intensive (P,T, μ…) sono uniformi e non cambiano nel tempo.
Esempio 2 – Sistema chiuso: una bombola di gas isolata termicamente scambia solo pressione con l’ambiente. La massa del gas resta costante.
3 – Grandezze estensive e intensive
-
Intensive: non dipendono dalla quantità di materia (P, T).
-
Estensive: dipendono dalla quantità di materia (V, U, H, S).
Esempio 3 – Divisione di un sistema:
Se dividiamo un contenitore di volume
V e massa
m di gas in due parti uguali, le grandezze intensive (P, T) restano uguali, quelle estensive (V, U) si dimezzano.
4 – Equazioni di stato
4.1 Gas ideale
PV=nRToPv=RsT
Esempio 4 – Gas ideale
Gas ideale, 1 mol, V=22.4 L, T=273 K:
P=VnRT=0.02241⋅8.314⋅273≈101325Pa≈1atm.
4.2 Gas reali – Van der Waals
(P+aV2n2)(V−nb)=nRT
-
a e
b correzioni per interazioni tra molecole e volume proprio.
Esempio 5 – Gas reale:
CO₂, n=1 mol, V=0.0224 m³, T=273 K,
a=0.364Pam6/mol2,
b=4.27⋅10−5m3/mol
P=V−nbnRT−aV2n2≈0.0224−4.27e−58.314∗273−0.364∗(1/0.02242)≈1.01⋅105Pa
5 – Trasformazioni termodinamiche
Tipi principali
| Trasformazione | Condizione | Lavoro W |
|---|
| Isoterma | T costante | W=nRTln(Vf/Vi) |
| Isocora | V costante | W=0 |
| Isobara | P costante | W=PΔV |
| Adiabatica | Q=0 | PVγ=costante,W=γ−1PiVi−PfVf |
Esempio 6 – Trasformazione isoterma
Gas ideale, n=1 mol, T=300 K, volume iniziale
Vi=1L, volume finale
Vf=2L.
Lavoro:
W=nRTlnViVf=1⋅8.314⋅300ln2≈1728J.
Esempio 7 – Trasformazione adiabática
-
Gas ideale monoatomico, n=1 mol, V_i=1 L, V_f=2 L, P_i=10⁵ Pa,
γ=5/3.
-
Lavoro:
W=γ−1PiVi−PfVf
-
Calcolare
Pf=Pi(Vi/Vf)γ=105(1/2)5/3≈3.16⋅104Pa
W=5/3−1105∗0.001−3.16⋅104∗0.002=2/3100−63.2≈0.666736.8≈55.2J.
6 – Funzioni di stato e funzioni di percorso
-
Funzioni di stato: dipendono solo dallo stato iniziale e finale (U,H,S,P,V,T).
-
Funzioni di percorso: dipendono dal percorso della trasformazione (lavoro W, calore Q).
Esempio 8 – Confronto
Due trasformazioni tra stesso stato iniziale e finale: isobara e adiabatica.
7 – Esercizi suggeriti
-
Identificare tipo di sistema: chiuso, aperto o isolato.
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Calcolare P, V, T per trasformazioni isoterma, isocora, isobara, adiabatica.
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Confrontare lavoro e calore in trasformazioni diverse tra gli stessi stati.
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Applicare Van der Waals a gas reali e confrontare con gas ideale.
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