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TERMODINAMICA
Secondo
principio della
termodinamica
Le macchine termiche
In termodinamica una macchina termica è un dispositivo in grado di scambiare
calore e lavoro con l'ambiente circostante.
La macchina termica spesso è ciclica e descritta fisicamente da un ciclo
termodinamico.
Il lavoro è prodotto sfruttando il gradiente termico tra una sorgente calda e una
sorgente fredda.
Il funzionamento di una macchina termica può essere
rappresentato in un semplice schema
La macchina lavora con un
sistema M tra due sorgenti
di calore a due diverse
temperature, T1 e T2.
Nella rappresentazione, la
sorgente in alto ha una
temperatura maggiore
rispetto a quella in basso.
L'efficienza di una macchina termica viene definita tramite un
parametro detto RENDIMENTO DELLA MACCCHINA
TERMICA e viene individuato tramite la formula:
IL RENDIMENTO DI UNA MACCHINA TERMICA
Il rendimento di una macchina
termica è definito come il
rapporto tra il lavoro prodotto
dalla macchina e l'energia
fornita da essa.
Questo rendimento è
comunemente indicato con la
lettera "η" (eta) e può essere
espresso come una percentuale.
Secondo il primo principio della termodinamica,
l'energia totale fornita da una macchina è uguale alla
somma del lavoro prodotto e del calore dissipato:
Energia fornita = Lavoro + Calore dissipato
Il rendimento di una macchina è quindi definito come:
η = Lavoro / Energia fornita
ESERCIZIO: RENDIMENTO DI UNA MACCHINA TERMICA
il secondo principio della termodinamica è
uno dei principi della fisica che descrive il
comportamneto degli oggetti in relazione
alla loro temperatura e all'energia termica.
SECONDO PRINCIPIO DELLA
TERMODINAMICA
2 ENUNCIATI EQUIVALENTI
Kelvin Clausius
E impossibile fare
una trasformazione
nella quale tutto Q
diventa W
E impossibile realizzare
una trasformazione il cui
unico risultato sia
passare q dal corpo
freddo ad un corpo
caldo
In cosa consiste?
Il teorema di Carnot afferma che
nessuna macchina irreversibile operante
tra due serbatoi a temperatura costante
può avere un rendimento maggiore di
una macchina reversibile che opera tra
le stesse temperature.
TEOREMA DI CARNOT
Il rendimento della macchina di
Carnot rappresenta il limite del
rendimento di una qualsiasi
macchina termica operante tra le
stesse temperature
MACCHINA DI CARNOT
Frigoriferi, condizionatori e
pompe di calore
frigorifero condizionatore pompe di calore
è possibile raffreddare
l'ambiente della cucina
lasciando aperto lo sportello
del frigorifero?
L'energia elettrica
consumata dal frigorifero
viene dissipata nell'aria
come calore
L'efficienza di un frigorifero, di un condizionatore d'aria oppure di
una pompa di calore si valuta in base al loro coefficiente di
prestazione COP.
Coefficiente di Prestazione
Maggiore sono questi rapporti, migliore è la prestazione
L'Entropia
Variazione di entropia
In un sistema in cui avviene una
trasformazione reversibile tra due
stati:
Q è il calore scambiato dal sistema (in Joule)
T è la temperatura assoluta a cui viene scambiato (in Kelvin)
Dove:
Quando avviene il passaggio di calore ∆Q da una sorgente calda a
T2 verso una fredda a T1< T2, si può calcolare la variazione di
entropia tramite il passaggio di calore, dalla sorgente calda a T =
T1 verso una sorgente fredda a T = T2 :
Trasformazioni reversibili
Le trasformazioni reversibili non alterano
l'entropia totale dell'universo
(sistema+ambiente).
Per il calcolo della variazione dell'entropia in una
trasformazione irreversibile si deve utilizzare la
relazione:
ΔS = ΔQirr/Ts = ΔQrev/Ts
e arrivare alla variazione grazie ad un calcolo
indiretto.
Perchè gli stati finale e iniziale sia del processo
irreversibile che del processo reversibile
coincidono essendo l'entropia una funzione di
stato.
Trasformazioni irreversibili
Il secondo principio della
termodinamica e l'entropia
Il concetto di entropia permette di formulare il secondo
principio della termodinamica in termine generali
L'entropia totale dell'universo non
cambia nei processi reversibili e
aumenta sempre nei processi
irreversibili
Che differenza c'è?
Nel primo il lavoro si
conserva, mentre nel
secondo viene prodotto
un lavoro in meno
perché l’energia
disponibile diminuisce.
Entropia irreversibile:
Macchina di Carnot
LAVORO INUTILIZZABILE
Ad ogni microstato è possibile
associare uno e un solo macrostato
Ad ogni macrostato è possibile
associare, in generale, molti microstati.
Lo stato microscopico di un sistema fisico
precisa la configurazione dei suoi
costituenti microscopici
(per un gas: masse, posizioni, velocità di
tutte le molecole).
Interpretazione microscopica
dell'entropia
Interpretazione microscopica dell'entropia
Alla fine dell' Ottocento L. Boltzmann dimostrò
che l'entropia di un macrostato dipende dalla
sua molteplicità, stabilendo così il collegamento
tra macrostrati e miscrostrati di un sistema.
L'ENTROPIA SECONDO BOLTZMANN
Permette di
valutare il grado di
disordine dello
stato di un sistema.
A livello macroscopico, invece,
vige la seconda legge della
termodinamica, o legge di
entropia, secondo la quale il
grado di disordine in un sistema
isolato aumenta con il tempo in
modo spontaneamente
irreversibile.
2
In questo senso l'entropia può essere usata per indicare la direzione verso
cui si muove il tempo.
Entropia disordine e freccia del tempo
Quasi tutti i processi fisici a
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simmetrici rispetto al tempo,
infatti le equazioni usate per
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forma anche se la direzione
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Il numero di stati disponibili (di conseguenza di
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  • 3. Le macchine termiche In termodinamica una macchina termica è un dispositivo in grado di scambiare calore e lavoro con l'ambiente circostante. La macchina termica spesso è ciclica e descritta fisicamente da un ciclo termodinamico. Il lavoro è prodotto sfruttando il gradiente termico tra una sorgente calda e una sorgente fredda.
  • 4. Il funzionamento di una macchina termica può essere rappresentato in un semplice schema La macchina lavora con un sistema M tra due sorgenti di calore a due diverse temperature, T1 e T2. Nella rappresentazione, la sorgente in alto ha una temperatura maggiore rispetto a quella in basso.
  • 5. L'efficienza di una macchina termica viene definita tramite un parametro detto RENDIMENTO DELLA MACCCHINA TERMICA e viene individuato tramite la formula:
  • 6. IL RENDIMENTO DI UNA MACCHINA TERMICA Il rendimento di una macchina termica è definito come il rapporto tra il lavoro prodotto dalla macchina e l'energia fornita da essa. Questo rendimento è comunemente indicato con la lettera "η" (eta) e può essere espresso come una percentuale. Secondo il primo principio della termodinamica, l'energia totale fornita da una macchina è uguale alla somma del lavoro prodotto e del calore dissipato: Energia fornita = Lavoro + Calore dissipato Il rendimento di una macchina è quindi definito come: η = Lavoro / Energia fornita
  • 7. ESERCIZIO: RENDIMENTO DI UNA MACCHINA TERMICA
  • 8. il secondo principio della termodinamica è uno dei principi della fisica che descrive il comportamneto degli oggetti in relazione alla loro temperatura e all'energia termica. SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
  • 9. 2 ENUNCIATI EQUIVALENTI Kelvin Clausius E impossibile fare una trasformazione nella quale tutto Q diventa W E impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia passare q dal corpo freddo ad un corpo caldo
  • 10. In cosa consiste? Il teorema di Carnot afferma che nessuna macchina irreversibile operante tra due serbatoi a temperatura costante può avere un rendimento maggiore di una macchina reversibile che opera tra le stesse temperature. TEOREMA DI CARNOT Il rendimento della macchina di Carnot rappresenta il limite del rendimento di una qualsiasi macchina termica operante tra le stesse temperature
  • 12. Frigoriferi, condizionatori e pompe di calore frigorifero condizionatore pompe di calore
  • 13. è possibile raffreddare l'ambiente della cucina lasciando aperto lo sportello del frigorifero? L'energia elettrica consumata dal frigorifero viene dissipata nell'aria come calore
  • 14. L'efficienza di un frigorifero, di un condizionatore d'aria oppure di una pompa di calore si valuta in base al loro coefficiente di prestazione COP. Coefficiente di Prestazione Maggiore sono questi rapporti, migliore è la prestazione
  • 16. Variazione di entropia In un sistema in cui avviene una trasformazione reversibile tra due stati: Q è il calore scambiato dal sistema (in Joule) T è la temperatura assoluta a cui viene scambiato (in Kelvin) Dove:
  • 17. Quando avviene il passaggio di calore ∆Q da una sorgente calda a T2 verso una fredda a T1< T2, si può calcolare la variazione di entropia tramite il passaggio di calore, dalla sorgente calda a T = T1 verso una sorgente fredda a T = T2 : Trasformazioni reversibili Le trasformazioni reversibili non alterano l'entropia totale dell'universo (sistema+ambiente).
  • 18. Per il calcolo della variazione dell'entropia in una trasformazione irreversibile si deve utilizzare la relazione: ΔS = ΔQirr/Ts = ΔQrev/Ts e arrivare alla variazione grazie ad un calcolo indiretto. Perchè gli stati finale e iniziale sia del processo irreversibile che del processo reversibile coincidono essendo l'entropia una funzione di stato. Trasformazioni irreversibili
  • 19. Il secondo principio della termodinamica e l'entropia Il concetto di entropia permette di formulare il secondo principio della termodinamica in termine generali L'entropia totale dell'universo non cambia nei processi reversibili e aumenta sempre nei processi irreversibili
  • 20. Che differenza c'è? Nel primo il lavoro si conserva, mentre nel secondo viene prodotto un lavoro in meno perché l’energia disponibile diminuisce. Entropia irreversibile: Macchina di Carnot
  • 22. Ad ogni microstato è possibile associare uno e un solo macrostato Ad ogni macrostato è possibile associare, in generale, molti microstati. Lo stato microscopico di un sistema fisico precisa la configurazione dei suoi costituenti microscopici (per un gas: masse, posizioni, velocità di tutte le molecole). Interpretazione microscopica dell'entropia
  • 23. Interpretazione microscopica dell'entropia Alla fine dell' Ottocento L. Boltzmann dimostrò che l'entropia di un macrostato dipende dalla sua molteplicità, stabilendo così il collegamento tra macrostrati e miscrostrati di un sistema. L'ENTROPIA SECONDO BOLTZMANN Permette di valutare il grado di disordine dello stato di un sistema.
  • 24. A livello macroscopico, invece, vige la seconda legge della termodinamica, o legge di entropia, secondo la quale il grado di disordine in un sistema isolato aumenta con il tempo in modo spontaneamente irreversibile. 2 In questo senso l'entropia può essere usata per indicare la direzione verso cui si muove il tempo. Entropia disordine e freccia del tempo Quasi tutti i processi fisici a livello microscopico sono simmetrici rispetto al tempo, infatti le equazioni usate per descriverli hanno la stessa forma anche se la direzione del tempo è invertita. 1
  • 25.
  • 26. Il numero di stati disponibili (di conseguenza di informazioni necessarie per descrivere uno stato) aumenta in funzione dell'energia del sistema e dove l'esponente N è il numero di particelle: Stati disponibili