Principi termodinamici

Per comprendere, in modo semplice, l'ampio e complesso mondo della Termodinamica, si consiglia di procedere passo passo partendo dalla revisione dei termini fondamentali, un'introduzione ai principi termodinamici, per poi approfondire le leggi della termodinamica, sono espressi matematicamente e le sue applicazioni.

Con le quattro leggi della termodinamica (legge zero, prima legge, seconda legge e terza legge) viene descritto come funzionano i trasferimenti e le trasformazioni di energia tra i diversi sistemi; essere la base per comprendere molti fenomeni fisico-chimici della natura.

Revisione dei concetti di base

Ti invitiamo a leggere l'articolo TERMODINAMICA, cos'è e le sue applicazioni

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Forme di energia

L'energia, la proprietà dei corpi di trasformarsi modificando la loro situazione o stato, si presenta in molte forme, come energia cinetica, energia potenziale ed energia interna dei corpi. Vedi figura 1.

Lavoro

È il prodotto di una forza e di uno spostamento, misurati entrambi nella stessa direzione. Per calcolare il lavoro, viene utilizzata la componente della forza parallela allo spostamento dell'oggetto. Il lavoro è misurato in Nm, Joule (J), ft.lb-f o BTU. Vedi figura 2.

Calore (Q)

Trasferimento di energia termica tra due corpi che si trovano a temperature diverse, e avviene solo nel senso che la temperatura diminuisce. Il calore viene misurato in Joule, BTU, libbra-piedi o calorie. Vedi figura 3.

Principi termodinamici

Legge zero - Principio zero

La legge zero della termodinamica afferma che se due oggetti, A e B, sono in equilibrio termico tra loro e l'oggetto A è in equilibrio con un terzo oggetto C, allora l'oggetto B è in equilibrio termico con l'oggetto C. Si verifica l'equilibrio termico quando due o più corpi sono alla stessa temperatura. Vedi figura 4.

Questa legge è considerata una legge fondamentale della termodinamica. Fu postulata come "Legge Zero" nel 1935, poiché fu postulata dopo che furono fatte la prima e la seconda legge della termodinamica.

1a legge della termodinamica (principio di conservazione dell'energia)

Enunciato della prima legge della termodinamica:

La prima legge della termodinamica, nota anche come principio di conservazione dell'energia, afferma che l'energia non viene creata o distrutta, viene solo trasformata in un altro tipo di energia o trasferita da un oggetto a un altro. Quindi la quantità totale di energia nell'universo non cambia.

La prima legge si adempie in "tutto", l'energia viene trasferita e trasformata continuamente, ad esempio, in alcuni dispositivi elettrici, come miscelatori e frullatori, l'energia elettrica si trasforma in energia meccanica e termica, nel corpo umano si trasforma la chimica energia del cibo che viene ingerita in energia cinetica quando il corpo è in movimento, o altri esempi come quelli mostrati in figura 5.

Equazione della prima legge della termodinamica:

L'equazione della prima legge all'interno dei principi termodinamici esprime l'equilibrio che deve esistere tra i diversi tipi di energia in un dato processo. Poiché, nei sistemi chiusi [1], gli scambi di energia possono essere dati solo dal trasferimento di calore, oppure dal lavoro svolto (da o sull'impianto) si stabilisce che la variazione di energia di un sistema è uguale alla somma di trasferimenti di energia attraverso il calore e il lavoro. Vedi figura 6.

Considerando che le energie considerate in questo bilancio energetico sono l'energia cinetica, l'energia potenziale e l'energia interna [1], il bilancio energetico per i sistemi chiusi rimane come mostrato in figura 7.

• (ce) Energia cinetica , a causa del movimento di un corpo;
• (ep) Energia potenziale, a causa della posizione di un corpo in un campo gravitazionale;
• (LEI È) Energia interna , a causa dei contributi microscopici dell'energia cinetica e potenziale delle molecole interne di un corpo.

Esercizio 1.

Un contenitore sigillato contiene una sostanza, con un'energia iniziale di 10 kJ. La sostanza viene agitata con un'elica che fa 500 J di lavoro, mentre una fonte di calore trasferisce 20 kJ di calore alla sostanza. Inoltre, 3kJ di calore vengono rilasciati nell'aria durante il processo. Determina l'energia finale della sostanza. Vedi figura 8.

soluzione:

Nella figura 9 è possibile vedere il calore aggiunto dalla sorgente di calore, che è considerato "positivo" poiché aumenta l'energia della sostanza, il calore che viene rilasciato nell'aria, negativo poiché diminuisce l'energia della sostanza, e il il lavoro dell'elica, che ha aumentato l'energia, ha preso un segno positivo.

Nella figura 10 viene presentato il bilancio energetico, secondo la prima legge della termodinamica e si ottiene l'energia finale della sostanza.

Seconda legge della termodinamica

Ci sono diverse affermazioni della seconda legge della termodinamica: affermazioni di Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Ognuno di loro mostra un aspetto diverso della seconda legge. In generale la seconda legge della termodinamica postula:

• La direzione dei processi termodinamici, irreversibilità dei fenomeni fisici.
• L'efficienza delle macchine termiche.
• Immettere la proprietà "entropia".

Direzione dei processi termodinamici:

In natura, l'energia fluisce o viene trasferita spontaneamente dallo stato energetico più elevato allo stato energetico più basso. Il calore fluisce da corpi caldi a corpi freddi e non viceversa. Vedi figura 11.

Efficienza o prestazione termica:

Secondo la prima legge della termodinamica, l'energia non viene né creata né distrutta, ma può essere trasformata o trasferita. Ma in tutti i trasferimenti o trasformazioni di energia una parte di essa non è utile per lavorare. Quando l'energia viene trasferita o trasformata, parte dell'energia iniziale viene rilasciata come energia termica: l'energia si degrada, perde qualità.

In qualsiasi trasformazione energetica, la quantità di energia ottenuta è sempre inferiore all'energia fornita. L'efficienza termica è la quantità di calore dalla sorgente che viene convertita in lavoro, il rapporto tra l'energia utile ottenuta e l'energia fornita in una trasformazione. Vedi figura 12.

Macchina termica o macchina termica:

La macchina termica è un dispositivo che converte parzialmente il calore in lavoro o energia meccanica, per la quale necessita di una fonte che fornisca calore ad alta temperatura.

Nelle macchine termiche viene utilizzata una sostanza come il vapore acqueo, l'aria o il carburante. La sostanza subisce una serie di trasformazioni termodinamiche in modo ciclico, in modo che la macchina possa funzionare in modo continuo.

Esercizio 2.

Il motore di un veicolo da carico produce calore nella combustione bruciando benzina. Per ogni ciclo del motore, il calore di 5 kJ viene convertito in 1kJ di lavoro meccanico. Qual è l'efficienza del motore? Quanto calore viene rilasciato per ogni ciclo del motore? Vedere la figura 13

soluzione:

Per determinare il calore rilasciato, si assume che nelle macchine termiche il lavoro netto sia uguale al trasferimento di calore netto al sistema. Vedi figura 14.

Entropia:

L'entropia è il grado di casualità o disordine in un sistema. L'entropia permette di quantificare la parte di energia che non può essere utilizzata per produrre lavoro, ovvero permette di quantificare l'irreversibilità di un processo termodinamico.

Ogni trasferimento di energia che si verifica aumenta l'entropia dell'universo e riduce la quantità di energia utilizzabile disponibile per svolgere il lavoro. Qualsiasi processo termodinamico procederà in una direzione che aumenta l'entropia totale dell'universo. Vedi figura 15.

Terza legge della termodinamica

Terza Legge della Termodinamica o Postulato Nerst

La terza legge della termodinamica è correlata alla temperatura e al raffreddamento. Afferma che l'entropia di un sistema allo zero assoluto è una costante definita. Vedere la figura 16.

Lo zero assoluto è la temperatura più bassa al di sotto della quale non c'è più una misura inferiore, è la più fredda che un corpo possa essere. Lo zero assoluto è 0 K, equivalente a -273,15 ºC.

Conclusione

Esistono quattro principi termodinamici. Nel principio zero si stabilisce che l'equilibrio termico si verifica quando due o più corpi sono alla stessa temperatura.

La prima legge della termodinamica si occupa della conservazione dell'energia tra i processi, mentre la seconda legge della termodinamica si occupa della direzionalità dall'entropia più bassa a quella più alta e dell'efficienza o delle prestazioni dei motori termici che convertono il calore in lavoro.

La terza legge della termodinamica è legata alla temperatura e al raffreddamento, afferma che l'entropia di un sistema allo zero assoluto è una costante definita.