Corso di Termodinamica: 1 – Fondamenti di Termodinamica

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:

GrandezzaSimboloUnità SITipo
PressionePPPa (N/m2N/m^2)Intensiva
VolumeVVEstensiva
TemperaturaTTKIntensiva
Energia internaUUJEstensiva
EntalpiaH=U+PVH = U + PVJEstensiva
EntropiaSSJ/KEstensiva

Esempio 1 – Calcolo della pressione di un gas:
Gas ideale in un contenitore di volume 
V=2L=2×103m3V=2\,\mathrm{L}=2\times10^{-3}\,m^3T=300KT=300\,Kn=0.1moln=0.1\,\mathrm{mol}R=8.314J/(molK)R=8.314\,\mathrm{J/(mol\cdot K)}
Pressione: 
P=nRTV=0.18.3143002103124710Pa1.25105PaP = \frac{nRT}{V} = \frac{0.1\cdot8.314\cdot300}{2\cdot10^{-3}} \approx 124710\,\mathrm{Pa}\approx1.25\cdot10^5\,\mathrm{Pa}


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 
VVmm


4 – Equazioni di stato

4.1 Gas ideale

PV=nRToPv=RsTPV = nRT \quad \text{o} \quad P v = R_s T
  • v=V/nv = V/n

    volume molare

  • Rs=R/MR_s = R/M

    costante specifica

Esempio 4 – Gas ideale
Gas ideale, 1 mol, V=22.4 L, T=273 K:

P=nRTV=18.3142730.0224101325Pa1atm.P = \frac{nRT}{V} = \frac{1\cdot8.314\cdot273}{0.0224} \approx 101325\,\mathrm{Pa} \approx 1\,\mathrm{atm}.

4.2 Gas reali – Van der Waals

(P+an2V2)(Vnb)=nRT\Big(P + a\frac{n^2}{V^2}\Big)(V - nb) = nRT
  • aa

    bb

Esempio 5 – Gas reale:
CO₂, n=1 mol, V=0.0224 m³, T=273 K, 
a=0.364Pam6/mol2a=0.364\,\mathrm{Pa\,m^6/mol^2}b=4.27105m3/molb=4.27\cdot10^{-5}\,m^3/mol

P=nRTVnban2V28.3142730.02244.27e50.364(1/0.02242)1.01105PaP = \frac{nRT}{V-nb}-a\frac{n^2}{V^2} \approx \frac{8.314*273}{0.0224-4.27e-5}-0.364*(1/0.0224^2) \approx 1.01\cdot10^5\,Pa

5 – Trasformazioni termodinamiche

Tipi principali

TrasformazioneCondizioneLavoro WW
IsotermaT costanteW=nRTln(Vf/Vi)W = nRT \ln(V_f/V_i)
IsocoraV costanteW=0W=0
IsobaraP costanteW=PΔVW = P\Delta V
AdiabaticaQ=0PVγ=costante,W=PiViPfVfγ1P V^\gamma = \text{costante}, \quad W = \frac{P_i V_i - P_f V_f}{\gamma -1}
  • γ=cp/cv\gamma = c_p/c_v

    , rapporto calori specifici.

Esempio 6 – Trasformazione isoterma

Gas ideale, n=1 mol, T=300 K, volume iniziale 
Vi=1LV_i=1\,LVf=2LV_f=2\,L
Lavoro:

W=nRTlnVfVi=18.314300ln21728J.W = nRT \ln\frac{V_f}{V_i} = 1 \cdot 8.314 \cdot 300 \ln 2 \approx 1728\,\mathrm{J}.

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\gamma=5/3

  • Lavoro:

W=PiViPfVfγ1W = \frac{P_i V_i - P_f V_f}{\gamma-1}
  • Calcolare 
    Pf=Pi(Vi/Vf)γ=105(1/2)5/33.16104PaP_f = P_i (V_i/V_f)^\gamma = 10^5 (1/2)^{5/3} \approx 3.16 \cdot 10^4\,Pa

W=1050.0013.161040.0025/31=10063.22/336.80.666755.2J.W = \frac{10^5*0.001 - 3.16\cdot10^4*0.002}{5/3-1} = \frac{100 - 63.2}{2/3} \approx \frac{36.8}{0.6667} \approx 55.2\,\mathrm{J}.

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.

  • ΔU\Delta U

    uguale (funzione di stato).

  • WW

    diverso (funzione di percorso).


7 – Esercizi suggeriti

  1. Identificare tipo di sistema: chiuso, aperto o isolato.

  2. Calcolare P, V, T per trasformazioni isoterma, isocora, isobara, adiabatica.

  3. Confrontare lavoro e calore in trasformazioni diverse tra gli stessi stati.

  4. Applicare Van der Waals a gas reali e confrontare con gas ideale.

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