Fisica: Fluidi, Energia, Calore e Termodinamica

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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.

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