Corso di fisica Termodinamica: Processi Termodinamici
Processi Termodinamici
Processi Reversibili e Irreversibili
Processi Reversibili: Sono processi che avvengono in maniera quasi-statica e in cui il sistema può essere riportato esattamente al suo stato iniziale senza alcuna perdita o dispersione. Sono ideali e servono come modello teorico, ma nella pratica sono difficili da ottenere.
Processi Irreversibili: Sono processi che avvengono spontaneamente e comportano un aumento netto dell'entropia del sistema e dei dintorni. Sono processi reali e comuni, come la diffusione di calore da un oggetto più caldo a uno più freddo.
Tipi di Processi Termodinamici
Isocorico: Processo a volume costante. In questo tipo di processo, il lavoro compiuto è nullo poiché non c'è variazione di volume.
Isobaro: Processo a pressione costante. In questo caso, il lavoro è compiuto a causa di una variazione del volume del sistema.
Isoterma: Processo a temperatura costante. In questo tipo di processo, l'energia interna del sistema rimane costante.
Adiabatico: Processo senza scambio di calore con l'ambiente esterno. L'energia è trasferita solo sotto forma di lavoro.
Diagrammi Termodinamici
Diagramma di Fase: È uno strumento grafico che rappresenta le diverse fasi (solido, liquido, gas) di un materiale in funzione di pressione, temperatura e volume. Mostra le condizioni di equilibrio tra le diverse fasi di un materiale in relazione alle condizioni esterne.
Questi processi termodinamici e i diagrammi associati sono essenziali per comprendere come i sistemi reagiscono a variazioni di pressione, temperatura e volume. Aiutano a visualizzare e analizzare il comportamento dei sistemi in diverse situazioni e condizioni, nonché a comprendere le trasformazioni di fase che possono verificarsi.
Applicazioni della Termodinamica
Cicli Termodinamici: Ciclo di Carnot e Ciclo di Rankine
Ciclo di Carnot: È un modello ideale di un ciclo termodinamico reversibile operante tra due sorgenti di calore a diverse temperature. Pur essendo un modello teorico, il ciclo di Carnot fornisce una massima efficienza teorica per una macchina termica operante tra due temperature.
Ciclo di Rankine: È il ciclo termodinamico utilizzato nella maggior parte delle centrali elettriche a vapore. Questo ciclo sfrutta l'evaporazione e la condensazione di un fluido di lavoro (come l'acqua) per generare energia meccanica che poi viene convertita in energia elettrica tramite una turbina.
Applicazioni Pratiche in Diversi Campi
La termodinamica ha applicazioni estese in vari settori:
Ingegneria: Utilizzata per progettare e ottimizzare motori, turbine, impianti di raffreddamento, sistemi di riscaldamento, sistemi di condizionamento dell'aria, e altre apparecchiature e macchine.
Chimica: Essenziale nella progettazione di processi chimici, come la sintesi di composti chimici, reazioni endotermiche ed esotermiche, distillazione, e reazioni catalitiche.
Biologia: Applicata per comprendere i processi biologici come il metabolismo, la trasformazione dell'energia nei sistemi viventi e la termodinamica delle reazioni biochimiche.
Medicina: Utilizzata nella progettazione di dispositivi medici come pompe per infusione, incubatrici, scanner a risonanza magnetica, e nella comprensione dei processi di termoregolazione nel corpo umano.
Astronomia e Geoscienze: Applicata per studiare i processi termodinamici all'interno di stelle, pianeti, e fenomeni geologici come la formazione delle rocce e dei minerali.
La termodinamica è una disciplina fondamentale che ha impatto in molti campi della scienza e dell'ingegneria, consentendo lo sviluppo di tecnologie efficienti e la comprensione dei processi naturali in una vasta gamma di sistemi, dai più piccoli ai più grandi.
🔄 TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE
Esercizio – Isobara
100 g di acqua a 20 °C viene riscaldata a 80 °C a pressione costante.
Calore specifico dell’acqua: 4186 J/kg·K.
Calcola il calore assorbito.
Soluzione
m = 0{,}1\,kg,\; \Delta T = 60\,K
Q = 0{,}1 \cdot 4186 \cdot 60 = 25116,J ≈ 2{,}51 × 10^4,J
Esercizio – Isocora
Un gas in contenitore rigido riceve 500 J di calore. Che lavoro fa?
Soluzione
Volume costante → lavoro zero
Esercizio – Adiabatica
Gas perfetto con viene compresso adiabaticamente aumentando T da 300 K a 450 K. Massa = 2 kg.
Calcola lavoro compiuto.
Soluzione
ΔU = m\,c_v\,ΔT = 2 \cdot 0{,}718 \cdot 150 = 215{,}4\,kJ
Esercizio – Isoterma
Un gas ideale è compresso isoterma da 2 L a 1 L a 300 K. Calcola lavoro (R = 8,314 J/mol·K, n = 1 mol).
Soluzione
W = nRT \ln\frac{V_i}{V_f} = 1 \cdot 8{,}314 \cdot 300 \ln 2 ≈ 1727\,J
Cicli Termodinamici e Trasformazioni
Ciclo di Carnot
Esercizio 1: Un ciclo di Carnot funziona tra due sorgenti a 600 K e 300 K. Calcola il rendimento del ciclo.
Svolgimento:
η = 1 - (Tfredda / Tcalda) = 1 - (300 / 600) = 0.5 → Rendimento = 50%
Ciclo Rankine
Esercizio 2: Una turbina a vapore opera tra 10 MPa e 10 kPa. Determina il rendimento del ciclo ideale Rankine utilizzando le entalpie del vapore saturo (uso tabelle vapore).
Svolgimento (semplificato):
h1 = 3475 kJ/kg (vapore saturo a 10 MPa),
h2 = 2200 kJ/kg (vapore dopo espansione),
h3 = 191 kJ/kg (acqua liquida compressa),
η = [(h1 - h2) - (h4 - h3)] / (h1 - h4) = ~40%
Trasformazione Isobara
Esercizio 3: Un gas ideale si espande da 2 L a 6 L a pressione costante di 2 atm. Calcola il lavoro compiuto.
Svolgimento:
L = PΔV = 2 atm × (6 - 2) L = 8 L·atm = 8 × 101.3 = 810.4 J
Trasformazione Isoterma
Esercizio 4: Un gas ideale (n = 1 mol) si espande isoterma da 5 L a 10 L a T = 300 K. Calcola il lavoro.
Svolgimento:
L = nRT ln(Vf/Vi) = 1 × 8.31 × 300 × ln(10/5) ≈ 1728 J
⚡ Trasformazione Adiabatica
Esercizio 5: Un gas perfetto con γ = 1.4 si espande adiabaticamente. Da P1 = 5 atm a P2 = 1 atm. Trova il rapporto dei volumi.
Svolgimento:
P1V1γ = P2V2γ ⇒ (V2/V1) = (P1/P2)1/γ = (5)^1/1.4 ≈ 3.34
Trasformazione Isocora
Esercizio 6: Un gas viene riscaldato a volume costante: 2 moli di gas da 300 K a 600 K. Calcola ΔU.
Svolgimento:
ΔU = nCvΔT, con Cv = 3R/2 = 12.47 J/mol·K
ΔU = 2 × 12.47 × (600 - 300) ≈ 7482 J
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