Introduzione e Definizioni di Termodinamica, Unimore Presentazione

Introduzione e Definizioni

• Sistema Termodinamico
• Sistemi e loro comportamento termodinamico
• Unità di misura e dimensioni
• Volume specifico
• Pressione
• Temperatura

Alcune immagini nel presente documento possono essere ispirate a quanto proposto in M.J. Moran, H.N. Shapiro, D.D. Boettner, M.B. Bailey, B.R. Munson, D.P. DeWitt, Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria, Edizione italiana a cura di M.A. Corticelli, McGrawHill, 2022, Capitolo 2

UNIMORE 1Introduzione e Definizioni 1

Sistema Termodinamico

• Sistema: regione di spazio o quantità di materia che è oggetto del nostro studio
• Ambiente: regione o materia esterna al sistema
• Contorno: superficie reale o immaginaria che separa il sistema dall'ambiente
• contorno può essere fisso o mobile
• sistema può essere chiuso o aperto

AMBIENTE SISTEMA CONTORNO

UNIMORE 2Introduzione e Definizioni 2

Sistema Chiuso

• Massa invariante (massa di controllo)
• Non vi è flusso di materia attraverso il contorno
• Può essere soggetto a scambi di energia (interazioni) sotto forma di lavoro o di calore

Contorno Gas

UNIMORE 3Introduzione e Definizioni 3

Sistema Aperto

• Volume invariante (volume di controllo)
• Regione definita nello spazio attraverso il cui contorno fluisce materia.
• Di solito il volume di controllo racchiude un dispositivo a scambio di massa (compressore, turbina, ugello, ecc ... )
• contorno del VC (superficie di controllo, reale o immaginaria) può essere interessato da flussi di energia oltre che di massa

Aria in ingresso Albero motore Aria in ingresso Fumi di scarico Carburante in ingresso Carburante in ingresso Albero motore Fumi di scarico Contorno (superficie di controllo) Contorno (superficie di controllo)

UNIMORE 4Introduzione e Definizioni 4

Descrizione Termodinamica di un Sistema

• Definizione del confine
• Definizione della composizione
• Definizione dello stato
• Proprietà termodinamiche

UNIMORE 5Introduzione e Definizioni 5

Descrizione Termodinamica di un Sistema: Confine

Definizione del confine:

• Aperto / chiuso:
• Estensione di un sistema aperto: volume V [m3]
• Estensione di un sistema chiuso: massa m [kg]
• Fisso / mobile:
• pareti fisse: no scambi di energia sotto forma di lavoro - sistema meccanicamente isolato (dal proprio ambiente)
• Adiabatico / conduttivo:
• pareti adiabatiche: no scambi di energia sotto forma di calore - sistema termicamente isolato (dal proprio ambiente)

Un sistema sia meccanicamente che termicamente isolato si dice semplicemente sistema isolato. Il sistema isolato per antonomasia è l'universo

UNIMORE 6Introduzione e Definizioni 6

Descrizione Termodinamica di un Sistema: Composizione

Definizione della composizione:

• Fase: frazione di sistema chimicamente e fisicamente omogenea (in cui le proprietà variano con continuità)
• Sostanza pura: sostanza chimicamente omogenea
• Stati di aggregazione: solido, liquido, gassoso

UNIMORE 7Introduzione e Definizioni 7

Descrizione Termodinamica di un Sistema: Stato e Proprietà

Definizione dello stato: descrizione del sistema eseguita mediante i valori di quantità macroscopiche misurabili = proprietà Proprietà: una qualsiasi caratteristica macroscopica del sistema, funzione unicamente dello stato. Le proprietà si distinguono in:

• Proprietà intensive: proprietà indipendenti dall'estensione del sistema (e.g. temperatura, pressione)
• Proprietà estensive: il valore della proprietà dipende dalle dimensioni del sistema (e.g. massa, volume, energia)
• Proprietà specifiche: rapporti tra proprietà estensive (densità, volume specifico)

UNIMORE 8Introduzione e Definizioni 8

Stati di Equilibrio

• Stato di equilibrio: stato per il quale non vi sono potenziali (forze motrici) non equilibrati all'interno del sistema
• Equilibrio termico: la temperatura è uniforme entro il sistema
• Equilibrio meccanico: in ogni punto del sistema la pressione non cambia nel tempo
• Equilibrio di fase: se il sistema presenta più fasi la massa di ciascuna fase non cambia nel tempo
• Equilibrio chimico: la composizione chimica del sistema non cambia nel tempo (assenza di reazioni chimiche)
• Equilibrio elettrico: il potenziale elettrico è uniforme e non cambia nel tempo (assenza di correnti elettriche)

m = 2 kg T1 = 20°℃ V1 = 1.5 m3 m = 2 kg T2 = 20℃ V2 = 2.5 m3 (a) Stato 1 (b) Stato 2 20℃ 23℃ 32℃ 32℃ 32℃ 30℃ 35℃ 40°℃ 42℃ 32℃ 32℃ 32℃ (a) Prima (b) Dopo Sistema chiuso che tende all'equilibrio termico.

UNIMORE 9Introduzione e Definizioni 9

Processi Termodinamici

• Processo (Trasformazione): una qualsiasi modificazione dello stato del sistema
• Percorso del processo: la serie di stati attraverso i quali il sistema passa nel corso del processo
• La descrizione completa del processo prevede che sia possibile identificare gli stati iniziale e finale, il percorso e le interazioni con il contorno.
• Processo quasi-statico o di quasi-equilibrio: processo che si svolge attraverso stati (intermedi) sempre infinitamente prossimi a stati di equilibrio
• Processo ciclico (Ciclo): processo per il quale stato iniziale e finale coincidono

UNIMORE 10Introduzione e Definizioni 10

Sistema Internazionale di Unità di Misura

Il Sistema Internazionale (SI) di unità di misura è un sistema completo e coerente che definisce:

• 7 dimensioni fondamentali (massa, lunghezza, tempo, temperatura, intensità di corrente elettrica, intensità luminosa, quantità di materia) e le rispettive unità di misura
• le relazioni di definizione delle unità derivate
• i multipli e sottomultipli delle unità base

UNIMORE 11Introduzione e Definizioni 11

Sistema Internazionale di Unità di Misura: Grandezze e Prefissi

Grandezze Fondamentali del Sistema Internazionale

TABELLA 1.1 Le sette grandezze fondamentali del Sistema Internazionale (SI) e le loro unità di misura con i relativi simboli

Grandezza Unità di misura lunghezza metro (m) Massa kilogrammo (kg) Intervallo di tempo secondo (s) Temperatura kelvin (K) ampere (A) Intensità di corrente elettrica Intensità luminosa candela (cd) Quantità di materia mole (mol)

Prefissi delle Unità di Misura nel Sistema Internazionale

TABELLA 1.2 Prefissi delle unità di misura nel Sistema Internazionale

Multipli Prefissi .... ... ... .... .. ... ... .... .. 1012 tera, T 109 giga, G 106 mega, M 103 kilo, k ... .... ... ... .. 10-2 centi, c .. .... ... .... ...... 10-3 milli, m .. ... .... ... ... .... ... ........ 10-6 micro, µ 10-9 nano, n 10-12 pico, p

UNIMORE 12Introduzione e Definizioni 12

Unità di Misura e Dimensioni

• L'unità di misura di una grandezza fisica è una quantità predefinita di tale grandezza
• La misura di una grandezza fisica è data dal rapporto tra la grandezza stessa e l'unità di misura scelta
• Le grandezze derivate sono definite come combinazione delle grandezze fondamentali
• Le grandezze/dimensioni fondamentali della termodinamica sono:
• Massa [M]
• Lunghezza [L]
• Tempo [t
• Temperatura EEEE

UNIMORE 13Introduzione e Definizioni 13

Unità di Misura e Dimensioni: Formule Dimensionali

La formula dimensionale di una grandezza ne identifica la dimensione in rapporto alle dimensioni fondamentali:

• Velocità [L.t-1]
• Forza [M.L.t-2]
• Energia e lavoro [M.L2.t-2]
• Potenza [M.L2.t-3]
• Pressione [M.L-1.t-2]
• Densità [M.L-3]

UNIMORE 14Introduzione e Definizioni 14

Densità e Volume Specifico

Densità (0) Volume specifico (v)

V p = m V (kg/m3) V = = 1 r m (m3/kg)

Peso specifico (1): peso dell'unità di volume

Y = F V p = pg (N/m3)

UNIMORE 15Introduzione e Definizioni 15

Pressione

Pressione (p): forza normale esercitata da un fluido per unità di area

F1 F : forza normale agente sull'area A p = F A 1 (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 A 1 bar = 10 Pa = 0.1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101,325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bars 1 kgf/cm2 = 9.807 N/cm2 = 9.807 × 104 N/m2 = 9.807 × 104 Pa = 0.9807 bar = 0.9679 atm

UNIMORE 16Introduzione e Definizioni 16

Pressione: Tipi di Pressione

Pressione assoluta: valore di pressione riferito al vuoto assoluto (cui corrisponde il valore zero di pressione assoluta) Pressione relativa (effettiva): differenza tra pressione assoluta e valore locale della pressione atmosferica Pressione di vuoto: valore di pressione inferiore alla pressione atmosferica

1 A Pressione relativa in 1 Pressione Pressione atmosferica locale di riferimento 2 Pressione assoluta in 1 Pressione relativa in 2 (in depressione o sottovuoto) Pressione assoluta in 2 Pressione zero

UNIMORE 17Introduzione e Definizioni 17

Temperatura

• Principio Zero della termodinamica: se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo essi sono anche in equilibrio termico tra loro
• Sostituendo il terzo corpo con un termometro, il principio zero si può riformulare come segue: due corpi sono in equilibrio termico se entrambi hanno la stessa temperatura anche se non si trovano a contatto

UNIMORE 18Introduzione e Definizioni 18

Temperatura: Equilibrio Termico

sistema C sistema A sistema B se A e B sono separatamente in equilibrio termico con C, allora (a) sistema C sistema A sistema B A e B sono in equilibrio termico fra loro (b)

UNIMORE 19Introduzione e Definizioni 19

Scale di Temperatura

Le scale di temperatura si basano su alcuni stati di una sostanza facilmente riproducibili, quali i punti di solidificazione e di ebollizione dell'acqua

• Punto del ghiaccio: miscela di acqua e ghiaccio in equilibrio con aria satura di vapore ad 1 atm (0 ℃ o 32 ºF)
• Punto di ebollizione: miscela di acqua liquida e di vapor d'acqua (in assenza di aria) in equilibrio ad 1 atm (100 °℃ o 212 ºF)
• Scala Celsius: in unità SI
• Scala Fahrenheit: in unità del sistema anglosassone
• Scala Termodinamica delle temperature: scala indipendente dalle proprietà di qualsiasi sostanza (scale Kelvin e Rankine)

UNIMORE 20Introduzione e Definizioni 20

Scale di Temperatura: Riferimenti e Conversioni

• La temperatura di riferimento originale per la scala Kelvin era il punto del ghiaccio, 273.15 K
• Attualmente si è scelto un riferimento più preciso e riproducibile, il punto triplo dell'acqua (stato al quale le tre fasi, solido, liquido, vapore, dell'acqua coesistono all'equilibrio), cui si assegna il valore 273.16 K

T(C)=T(K)-273.15 AT(C)= AT(K) T(R)=1.8T(K) T(ºF)=1.8T(C)+32 AT(OF)= AT(R) CELSIUS (°C), KELVIN (K), FAHRENHEIT (ºF), RANKINE (R)

UNIMORE 21