Esercizi di Termodinamica - Infermieristica · 2016. 4. 22. · Moli e numero di Avogadro, Gas...
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Esercizi di Termodinamica
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DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI
LA DILATAZIONE TERMICA LINEARE E’ IL CAMBIAMENTO, CON LA TEMPERATURA, DI OGNI DIMENSIONE LINEARE DI UN SOLIDO
Tll Δ=Δ α
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TRACCIA
LA TOUR EIFFEL E’ UNA IMPONENTE STRUTTURA IN TRALICCIO DI FERRO.
SAPENDO CHE LA TORRE E’ ALTA 301.0 m ALLA TEMPERATURA DI 220
C, CALCOLARE LA SUA ALTEZZA SE LA TEMPERATURA SI RAFFREDDA FINO A 00 C
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SOLUZIONE OGNI DIMENSIONE DI UN SOLIDO SUBISCE LA DILATAZIONE TERMICA LINEARE CARATTERISTICA (PER L’ISOTROPIA DEL CORPO) DELLO STESSO COEFFICIENTE α . QUINDI NEL NOSTRO CASO LA TORRE SUBIRA’ UNA VARIAZIONE DI VOLUME MA A NOI NON INTERESSA PERCHE’ LA TRACCIA CI HA CHIESTO SOLO LA VARIAZIONE IN ALTEZZA
l f = l0 + l0α Tf −T0( ) = l0 1+α Tf −T0( )"# $%
Tll Δ=Δ α
POSSO SOSTITUIRE DIRETTAMENTE I VALORI NUMERICI
OSSERVAZIONE:NELLE EQUAZIONI IN CUI APPARE T SI DEVE SEMPRE UTILIZZARE LA TEMPERATURA ESPRESSA IN KELVIN. SOLO QUANDO ABBIAMO DIFFERENZE DI TEMPERATURE POSSIAMO UTILIZZARE I GRADI CELSIUS
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SOLUZIONE
l f = l0 + l0α Tf −T0( ) = l0 1+α Tf −T0( )"# $%
l f = 301.000m 1+12 ⋅10−6K −1 0− 22( )K#$ %&= 300.208m.
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SOLUZIONE
l f = 301.000m 1+12 ⋅10−6K −1 0− 22( )K#$ %&= 300.208m.
LA TORRE SI RIMPICCIOLISCE LEGGERMENTE NON DIVENTA UN SOUVENIRS
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QUANTITA’ DI CALORE
SE PIU’ CORPI MESSI IN CONTATTO RAGGIUNGONO L’EQUILIBRIO TERMICO, LA SOMMA DELLE QUANTITA’ DI CALORE SCAMBIATE DAI VARI CORPI E’ NULLA
∑=
=n
iiQ
1
0 )( ieiii TTcmQ −=
DURANTE IL CAMBIAMENTO DI STATO DI UNA SOSTANZA LA TEMPERATURA RESTA COSTANTE. SPERIMENTALMENTE SI VERIFICA CHE LA QUANTITA’ DI CALORE CEDUTA O ASSORBITA DAL CORPO NEL CAMBIAMENTO DI STATO VALE:
λmQ =
8
TRACCIA
UNA MASSA DI GHIACCIO ALLA TEMPERATURA T = 00C VIENE POSTA IN UN RECIPIENTE CONTENENTE UNA MASSA
m1 = 0.8 Kg DI T1=300C.
LA TEMPERATURA RAGGIUNTA ALL’EQUILIBRIO TERMICO E’ Te = 200C.
SI CALCOLI LA MASSA DEL GHIACCIO SAPENDO CHE IL CALORE LATENTE DI FUSIONE è Λf = 80 kcal/Kg.
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Un po’ di valori numerici
Calore specifico dell’acqua c = 1 cal/g C° = 1 cal/g K
Poi ricordiamo 1 Cal = 4.186 Joule, dunque:
Calore specifico dell’acqua c = 4.186 J/g K = 4186 J/Kg K
= 1000 cal/Kg K
Confrontiamolo con il CALORE LATENTE DI FUSIONE è Λf = 80 kcal/Kg.
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SOLUZIONE IL GHIACCIO SI SCIOGLIERA’ COMPLETAMENTE ALLA FINE DEL PROCESSO PERCHE’ LA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO E’ MAGGIORE DI 00C.
IL GHIACCIO PER FONDERSI ASSORBIRA’ UNA QUANTITA’ DI CALORE
E L’ACQUA FORMATASI (CON LA STESSA MASSA DEL GHIACCIO) PER PORTARSI ALLA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO ASSORBE UNA QUANTITA’ DI CALORE
fGHIACCIOmQ λ=2 )( 03 TTcmQ eacqGHIAC −=
LA QUANTITA’ DI CALORE TOTALE ASSORBITA VIENE INTERAMENTE CEDUTA DALLA MASSA m1 DI ACQUA
)( 111 TTcmQ eacq −=
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SOLUZIONE
0321
1 =++=∑=
QQQQn
ii
MI RICORDO CHE
0)()( 011 =+−+− fGHIACCIOeacqGHIACeacq mTTcmTTcm λ
IN QUESTA EQUAZIONE L’UNICA INCOGNITA E’ LA MASSA. LA RICAVIAMO, FACCIAMO IL SOLITO CONTROLLO DIMENSIONALE
KgKgTTcTTc
mmfeacq
eacqGHIAC 08.0
8020108.0
)()(
0
11 =
+=
+−
−⋅−=
λ
12
TRACCIA
Consideriamo le masse precedenti (M_acqua = 800 gr e M_ghiaccio = 80 gr) con TA=30 0C e TG = -5 0C.
Calcolare la temperatura di equilibrio.
SOLUZIONE: Possibilità:
Tequil > 0 0C
Tequil < 0 0C
Tequil = 0 0C
13
Soluzione
…buon divertimento!
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DEFINIZIONI
Ricordiamo dalla meccanica il principio di conservazione dell’energia, ricordiamo anche la presenza di forze dissipative quali l’attrito. Uno dei principali argomenti della termodinamica riguarda proprio il bilancio energetico complessivo di un processo fisico. In particolare la termodinamica studia le trasformazioni e passaggi di energia da un sistema ad un altro e da una forma all’altra. Sistema termodinamico: definita quantità di materia e/o energia che occupa una regione dello spazio.
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Ambiente: sistema con cui il sistema può interagire. Universo: sistema + ambiente.
Sistema aperto: scambio di energia e materia.
Sistema chiuso: scambio di energia.
Sistema isolato: nessuno scambio di energia o materia.
Stato di un sistema: lo stato di un sistema termodinamico può essere descritto da un numero finito di grandezze fisiche numerabili dette variabili di stato quali
volume-pressione-temperatura-massa…...
DEFINIZIONI
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Concetto fondamentale: la temperatura. Varia tra 0 e ∞. Alcune proprietà dei corpi sono dipendenti dalla temperatura e possono essere utilizzate per misurarla.
Equilibrio termico. Principio zero della termodinamica: se un corpo A e un corpo B sono in equilibrio termico con un terzo corpo T, allora A e B sono in equilibrio termico tra loro.
Sistema adiabatico. Un sistema è detto adiabatico se è circondato da pareti adiabatiche. Ossia da una parete che posta fra due sistemi NON li porta all’equilibrio termico.
DEFINIZIONI
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Misura della temperatura
Punto triplo dell’acqua. Scala Kelvin: va da 0 K a ∞, fissando la temperatura del punto triplo dell’acqua a T = 273.16 K e il Kelvin pari a 1/(273.16) della differenza di temperatura tra lo zero assoluto e il punto triplo dell’acqua. Termometro a gas a volume costante: dispositivo di riferimento che usa la pressione come grandezza termometrica. Scala Celsius: Tc = T –273.15°
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Primo principio della termodinamica
LQE −=Δ
Quando un sistema compie una trasformazione da uno stato i a uno stato f, si osserva sperimentalmente che il calore e il lavoro scambiati dipendono dal percorso.
Si nota però, sempre sperimentalmente, che la quantità Q-L è la stessa qualunque sia il percorso seguito.
Essa deve quindi rappresentare il cambiamento di una proprietà intrinseca del sistema: l’energia interna.
Primo principio della termodinamica: in qualunque trasformazione, la variazione di energia interna è pari alla differenza tra il calore e il lavoro scambiati e non dipende dal percorso ma solo dallo stato iniziale e finale:
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Segni di calore e lavoro
0>L Lavoro compiuto DAL sistema
0<L Lavoro compiuto dall’ambiente SUL sistema
0>Q Calore assorbito DAL sistema
0<Q Calore ceduto DAL sistema
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Trasformazioni termodinamiche
0=QTrasformazione adiabatica
Trasformazione reversibile
Una trasformazione è tale se essa avviene attraverso stadi di equilibrio e in assenza di qualunque forza dissipativa
Trasformazione irreversibile
Una trasformazione è tale se essa avviene attraverso stadi di non equilibrio o avvenga in presenza di forze dissipativeo qualora siano presenti entrambe queste condizioni.
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Gas ideali Un gas è un particolare fluido caratterizzato da non avere forma e volume propri e tale da essere facilmente compresso.
Legge di Boyle
Isoterme del gas ideale.
costante=pVp
V
3T2T1T
123 TTT >>
22
Gas ideali
Legge di Gay Lussac
Isocore del gas ideale.
costante=Tp
p
V
Legge di Gay Lussac
Isobare del gas ideale.
costante=TV
p
V
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Trasformazioni notevoli
Trasformazione adiabatica LEQ −=Δ⇒= 0Trasformazione isocora
Trasformazione isobara
Trasformazione isoterma
Trasformazione ciclica
QEL =Δ⇒= 0( )
LEQVVpL if
+Δ=⇒
−=
LQE =⇒=Δ 0
LQE =⇒=Δ 0
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Moli e numero di Avogadro, Gas ideali
Mole: numero di atomi contenuti in 12 g di 12C
Numero di Avogadro: numero di atomi (o molecole) in una mole
Gas reali e gas ideali.
Equazione di stato dei gas ideali.
n = numero di moli del gas
nRTpV =
-123 mol 1002.6 ⋅=AN
R=8.31 J/(mol K) =82.057 (lt atm)/(molK)=2 cal/(molK)
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Macchine termiche
( ) ( )2121 000
QQWWQUWQQWQU
−=⇒=−=Δ⇒=−−
=−=Δ
Una macchina termica è un dispositivo che trasforma calore in lavoro. Contiene una sostanza che, in maniera ciclica, assorbe una quantità di calore Q1, cede una quantità di calore Q2 e compie un lavoro W.
Rendimento di una macchina termica:
Il funzionamento è ciclico, quindi per il 1° principio 1QW
=η
1
21
QQQ −
=η
26
Macchine termiche
Schema di una generica macchina termica:
Schema di una generica macchina frigorifera:
Rendimento: 1QW
=η Efficienza: WQ2=ζ
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UN MOTORE TERMICO FA COMPIERE AD UNA MOLE DI GAS IDEALE MONOATOMICO LA SEGUENTE TRASFORMAZIONE: AB ISOCORA (TA=300 K, TB=600K,PA=1 ATM), DI UNA TRASFORMAZIONE ADIABATICA REVERSIBILE BC (TC=455 K) , UNA TRASFORMAZIONE ISOCORA REVERSIBILE CA. CALCOLARE TUTTE LE COORDINATE TERMODINAMICHE, I LAVORI E I CALORI SCAMBIATI NELLE SINGOLE TRASFORMAZIONI E NELL’INTERO CICLO.
TRACCIA
28
SOLUZIONE
DISEGNAMO LE SINGOLE TRASFORMAZIONI NEL PIANO DI CLAPEYRON
V
p
C
A
B
29
SOLUZIONE PER OGNI TRASFORMAZIONE DEVO CALCOLARE LAVORO CALORE E VARIAZIONE DI ENERGIA. PER FAR QUESTO PER OGNI TRASFORMAZIONE DEVO CONOSCERE TUTTE LE COORDINATE TERMODINAMICHE (p,V,T) DELLO STATO FINALE ED INIZIALE
TRASFORMAZIONE AB ISOCORA
A(pA =1atm,VA = ?,TA = 300K )B(pB = ?,VB = ?,TB = 600K )
35 025.0
10300314.8 m
pnRTVnRTVp
A
AAAAA ≅
⋅==⇒=
IN B NON CONOSCO PRESSIONE E VOLUME,MENTRE IN A DALL’EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI RICAVO L’UNICA INCOGNITA IL VOLUME
COSA SO E COSA DEVO DETERMINARE
30
SOLUZIONE PER LO STADIO B L’UNICA INCOGNITA E’ LA PRESSIONE, DATO CHE IL VOLUME RESTA COSTANTE, CHE POTREI RICAVARE DALL’EQUAZIONE DI STATO MA E’ PIU’ SEMPLICE UTILIZZARE LE EQUAZIONI DI Gay Lussac
B
B
A
A
Tp
Tp
Tp
=⇒= costante
PaKKPa
TTppA
BAB
55 10230060010 ⋅=⋅==
)600,025.0,102(
)300,025.0,10(35
35
KTmVPapBKTmVPapA
BBB
AAA
==⋅=
===
31
ABABAB QEL =Δ⇒= 0SOLUZIONE
TRASFORMAZIONE AB ISOCORA
( ) ( ) JTTRnTncQE ABVABAB 3741300600314.823
23
≅−⋅⋅=−⋅=Δ==Δ
32
TRASFORMAZIONE BC ADIABATICA
SOLUZIONE
)455?,?,()600,025.0,102( 35
KTVpCKTmVPapB
CCC
BBB
===
==⋅=
DEL PUNTO C CONOSCO SOLO LA TEMPERATURA MA POICHE’ SO CHE L’ULTIMA TRASFORMAZIONE SARA’ A PRESSIONE COSTANTE L’UNICA INCOGNITA E’ IL VOLUME CHE COME SEMPRE RICAVO DALL’EQUAZIONE DI STATO
35 038.0
10455314.8 m
pnRTVnRTVp
A
CCCCC ≅
⋅==⇒=
)455,038.0,10(
)600,025.0,102(35
35
KTmVPapCKTmVPapB
CCC
BBB
===
==⋅=
33
TRASFORMAZIONE AB ADIABATICA
SOLUZIONE
BCBCBC LEQ −=Δ⇒= 0
( ) ( )
JEL
JKKJTTRnTncE
BCBC
BCVBC
1808
1808600455314.823
23
=Δ−=
−=−⋅=−⋅=Δ=Δ
34
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE CA ISOBARA
PER L’ULTIMA TRASFORMAZIONE, NEI PASSI PRECEDENTI, HO GIA TROVATO TUTTI I VALORI PER LE COORDINATE TERMODINAMICHE
)300,025.0,10(
)455,037.0,10(35
35
KTmVPappAKTmVPappC
AADA
CCAC
====
====
35
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE CA ISOBARA
( )
( )
( ) JTTRnTncQ
JTTnRTnRL
JTTRnTncE
CAPCA
CACA
CAVCA
322125
1288
193323
−≅−=Δ=
−≅−=Δ=
−≅−=Δ=Δ
36
SOLUZIONE CICLO
JJJQQQQJJJLLLL
JJJEEEE
CABCABCICLO
CABCABCICLO
CABCABCICLO
520322103741520128818080
0193318083741
=−+≅++=
=−+≅++=
=−−≅Δ+Δ+Δ=Δ
14.03741520
≅==JJ
QL
ASS
cicloη
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n = 3 moli di un gas biatomico ideale sono soggette al seguente ciclo: una trasformazione adiabatica reversibile AB (TA = 400 K, VA = 0.5 m3, VB = 0.8 m3), di una trasformazione isocora reversibile BC (pC=0.9·104 Pa), una trasformazione isoterma reversibile CD e di una trasformazione isobara reversibile DA. Calcolare tutte le coordinate termodinamiche, I lavori ed I calori scambiati nelle singole trasformazioni e nell’intero ciclo.
TRACCIA
38
SOLUZIONE
DOPO AVER LETTO ATTENTAMENTE LA TRACCIA, DISEGNAMO LE SINGOLE TRASFORMAZIONI NEL PIANO DI CLAPEYRON
V
p
A
B
C
D
39
SOLUZIONE PER OGNI TRASFORMAZIONE DEVO CALCOLARE LAVORO CALORE E VARIAZIONE DI ENERGIA. PER FAR QUESTO PER OGNI TRASFORMAZIONE DEVO CONOSCERE TUTTE LE COORDINATE TERMODINAMICHE (p,V,T) DELLO STATO FINALE ED INIZIALE
TRASFORMAZIONE AB ADIABATICA
?),8.0?,(
)400,5.0?,(3
3
===
===
BBB
AAA
TmVpBKTmVpA
PaVnRTpnRTVp
A
AAAAA
41025.0400314.83
⋅≅⋅⋅
==⇒=
DALL’EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI RICAVO L’UNICA INCOGNITA DELLO STATO A
COSA SO E COSA DEVO DETERMINARE
40
TRASFORMAZIONE AB ADIABATICA
SOLUZIONE
RICORDIAMO CHE PER UN GAS BIATOMICO:
4.157
2527
====R
R
cc
v
pγ
γγBBAA VpVp =
IN QUESTA EQUAZIONE L’UNICA INCOGNITA E’ pB
PaPaVVp
VVpp
B
AA
B
AAB
44.1
4 1003.18.05.0102 ⋅=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⋅=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
γ
γ
γ
41
?),8.0,1003.1(
)400,5.0,102(34
34
==⋅=
==⋅=
BBB
AAA
TmVPapBKTmVPapA
DALL’EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI RICAVO L’UNICA INCOGNITA DELLO STATO B
KnRVpTnRTVp BB
BBBB 331314.83
8.01003.1 4
≅⋅
⋅⋅==⇒=
)331,8.0,1003.1(
)400,5.0,102(34
34
KTmVPapBKTmVPapA
BBB
AAA
==⋅=
==⋅=
A QUESTO PUNTO CONOSCO TUTTE LE GRANDEZZE TERMODINAMICHE DEGLI STADI A E B
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TRASFORMAZIONE AB ADIABATICA
SOLUZIONE
ABABAB LEQ −=Δ⇒= 0
( ) ( )
JEL
JKKJTTRnTncE
ABAB
ABVAB
5.4302
4305400331314.8253
25
=Δ−=
−=−⋅⋅=−⋅=Δ=Δ
43
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE BC ISOCORA
?)?,,109.0(
)331,8.0,1003.1(4
34
==⋅=
==⋅=
CCC
BBB
TVPapCKTmVPapB
OSSERVO CHE SE LA TRASFORMAZIONE BC AVVIENE A VOLUME COSTANTE DELLE VARIABILI TERMODINAMICHE AL PUNTO C NON CONOSCO SOLO LA TEMPERATURA CHE POSSO RICAVARE CON L’EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI
KnRVpTnRTVp CC
CCCC 289314.83
8.0109.0 4
≅⋅
⋅⋅==⇒=
)289,8.0,109.0(
)331,8.0,1003.1(34
34
KTmVPapCKTmVPapB
CCC
BBB
==⋅=
==⋅=
44
BCBCBC QEL =Δ⇒= 0SOLUZIONE
TRASFORMAZIONE BC ISOCORA
( ) ( ) JTTRnTncQE BCVBCBC 9.2618331289314.8253
25
−=−⋅⋅⋅=−⋅=Δ==Δ
45
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE CD ISOTERMA
OSSERVO CHE SE LA TRASFORMAZIONE CD AVVIENE A TEMPERATURA COSTANTE DELLE VARIABILI TERMODINAMICHE AL PUNTO D CONOSCO SOLO LA TEMPERATURA. INOLTRE, POICHE’ LA TRASFORMAZIONE FINALE CHE MI RIPORTERA’ IN A SARA’ A PRESSIONE COSTANTE LA PRESSIONE IN D SARA’ LA STESSA CHE IN A, QUINDI L’UNICA INCOGNITA E’ IL VOLUME CHE POSSO RICAVARE DALL’EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI
34 36.0
102289314.83 m
pnRTVnRTVp
D
DDDDD =
⋅
⋅⋅==⇒=
?)?,?,()289,8.0,109.0( 34
===
==⋅=
DDD
CCC
TVpDKTmVPapC
)289,36.0,102(
)289,8.0,109.0(34
34
KTmVPappDKTmVPapC
DDDD
CCC
==⋅==
==⋅=
46
CDCDCD LQE =⇒=Δ 0
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE CD ISOTERMA
JVVnRTLQC
DCDCDCD 5733
8.036.0ln289314.83ln −=⋅⋅⋅===
47
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE DA ISOBARA
PER L’ULTIMA TRASFORMAZIONE, NEI PASSI PRECEDENTI, HO GIA’TROVATO TUTTI I VALORI PER LE COORDINATE TERMODINAMICHE
)400,5.0,102(
)289,36.0,102(34
34
KTmVPappAKTmVPappD
AADA
DDDD
==⋅==
==⋅==
48
SOLUZIONE TRASFORMAZIONE DA ISOBARA
( )
( )
( ) JTTRnTncQ
JTTnRTnRL
JTTRnTncE
DAPDA
DADA
DAVDA
969127
6.2768
4.692125
≅−=Δ=
≅−=Δ=
≅−=Δ=Δ
49
SOLUZIONE CICLO
1.1339969157339.261801.13396.2769573305.430204.69219.26185.4302
=+−−≅+++=
=+−+≅+++=
=+−−≅Δ+Δ+Δ+Δ=Δ
JJJQQQQQJJJJLLLLL
JJJEEEEE
DACDBCABCICLO
DACDBCABCICLO
DACDBCABCICLO
( )1.0
96919.26181339
≅+
==J
JQL
ASS
cicloη