Fisica: Fluidi, Energia, Calore e Termodinamica
Fluidi
Fluido: liquido, interazione tra piccole molecole. La grandezza è la portata Q = V/ΔT, misurata in m3/s.
Pressione
Pressione: grandezza scalare, P = F/S, dove F è la forza perpendicolare alla superficie e S l'area della superficie. Si misura in bar, atmosfere, baria, torr.
Lavoro
Lavoro: quantità di energia che passa da una forma a un'altra. Se l'angolo tra forza e spostamento è di 90°, il lavoro è nullo. Se forza e spostamento hanno direzione e verso opposti, la forza compie un lavoro resistente (antiparallelo): L = -FS. Unità di misura: joule (J).
Energia
Energia: capacità di un sistema fisico di compiere lavoro meccanico. Unità di misura: joule (J).
Principio di conservazione dell'energia
L'energia totale Etot è costante e la variazione di energia immagazzinata è nulla nei sistemi isolati.
ΔK + ΔV + ΔEint/immagazzinata = Q
Forze conservative e dissipative
- Forze conservative: il lavoro compiuto per andare da A a B non dipende dalla traiettoria.
- Forze dissipative: sprecano energia, ad esempio la forza d'attrito.
La potenza è data da P = L/ΔT.
Se agiscono solo forze conservative, l'energia meccanica totale (potenziale + cinetica) si conserva.
Energia cinetica
Lavoro che la forza compie per portare un corpo di massa M da fermo alla velocità V: K = ½MV2.
Teorema dell'energia cinetica: Kf = Ki + W(L)
Energia potenziale
- Energia potenziale gravitazionale: U = MGh
- Energia potenziale elastica: lavoro compiuto dalla forza elastica di una molla deformata quando la molla ritorna a riposo (livello 0). U0 = ½K·S2, dove K è la costante elastica e S lo spostamento.
Calore
Calore: energia trasferita da un sistema a un altro in presenza di un dislivello di temperatura. Il calore passa da un corpo a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa. Per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di acqua occorrono 4186 J.
Grandezze termiche
- Capacità termica: energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di un corpo. C = ΔE/ΔT
- Calore specifico: energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di una sostanza. ΔE = c·m·ΔT
- Caloria: quantità di energia necessaria per aumentare di 1 °C la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C (pressione atmosferica normale).
Modalità di trasmissione del calore
- Conduzione: propagazione del calore con trasporto di energia senza spostamento di materia.
Q/Δt = Λ·S·ΔT/d, dove Λ è la conducibilità termica del materiale: valori bassi per i buoni isolanti, alti per i buoni conduttori. - Convezione: trasferimento di energia con trasporto di materia in presenza di fluidi (correnti convettive).
- Irraggiamento: i corpi emettono e assorbono radiazione elettromagnetica; dipende dalla temperatura T e dalla superficie S.
Costante di Stefan-Boltzmann: σ = 5,67 × 10-8 J/(s·m2·K4)
Termodinamica
La termodinamica studia i sistemi che scambiano energia con l'ambiente sotto forma di calore e lavoro.
Energia cinetica media e temperatura
Kmedia = (3/2)·kB·T. La temperatura T = 0 K (zero assoluto) è la temperatura minima teoricamente concepibile.
Energia potenziale e interna
- Energia potenziale: lavoro delle forze di attrazione molecolare quando una forza esterna disgrega il sistema allontanando le molecole.
- Energia interna: energia totale di tutte le sue componenti microscopiche. Nel gas reale U = Epot + K; nel gas perfetto U = K e aumenta con la temperatura.
Lavoro del sistema a pressione costante
W = P·ΔV, dove P è la pressione del gas.
Primo principio della termodinamica
ΔU = Q - W
Vale per tutti i sistemi: Q > 0 se il sistema acquista energia per scambio di calore, Q < 0 se la cede. W > 0 se il sistema compie lavoro e cede energia (espansione), W < 0 se subisce lavoro e acquista energia (compressione).
Trasformazioni
- Isobare: a pressione costante, ΔU + PΔV = Q
- Isocore: a volume costante, lavoro nullo, ΔU = Q
- Adiabatiche: senza scambio di calore, ΔU = -W
Secondo principio della termodinamica
La macchina termica trasforma calore in lavoro tramite trasformazioni cicliche.
Qtot assorbito = Ltot compiuto, dove il calore assorbito è positivo e quello ceduto negativo.
- Enunciato di Kelvin: non è possibile una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia trasformare integralmente in lavoro il calore prelevato da una sola sorgente.
- Enunciato di Clausius: non è possibile una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia il passaggio di calore da un corpo freddo a uno caldo.
La sorgente calda assorbe calore, la macchina termica produce lavoro e la sorgente fredda riceve calore.
Rendimento: R = W/Q2, dove Q2 è il calore assorbito. È impossibile costruire una macchina termica con rendimento R = 1.
Trasformazioni reversibili e irreversibili
- Reversibile: se è possibile riportare il sistema e l'ambiente esterno allo stato iniziale con una trasformazione a ritroso.
- Irreversibile: se non possiede tale caratteristica.
Ciclo di Carnot
Il rendimento della macchina termica reversibile è maggiore o uguale a quello di qualunque altra macchina che operi tra le stesse temperature. Il ciclo è composto da quattro fasi: espansione isoterma, espansione adiabatica, compressione isoterma e compressione adiabatica.
r = 1 - T1/T2, dove T1 è la temperatura della sorgente fredda e T2 quella della sorgente calda.