Termodinamica

Trasformazioni reversibili ed irreversibili

Una trasformazione termodinamica si definisce reversibile se essa, partendo da uno stato di equilibrio termodinamico, si svolge in modo tale che il sistema e l’ambiente possano sempre essere riportati nei rispettivi stati iniziali, ripercorrendo la stessa trasformazione senza che ne rimanga traccia alcuna. Questa definizione comporta due conseguenze fondamentali: la prima è che una trasformazione reversibile passa attraverso una successione di …

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Trasformazione ad energia interna costante

Una trasformazione termodinamica ad energia interna costante è senz’altro quasi-statica. Essa è chiaramente definita dall’equazione \(du = 0\). Se consideriamo il primo principio della termodinamica nella forma \(du = \delta q – pdv\), osserviamo che una tale trasformazione si può ottenere in un sistema per il quale ogni elemento infinitesimo di trasformazione risulti caratterizzato da \[dq = mpdv\] il …

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Trasformazione politropica

Una trasformazione termodinamica si dice politropica se, nel piano di Clapeyron, la linea della trasformazione ha equazione del tipo \(pv^n=cost\) dove \(n\), detto esponente della politropica, è un numero che può assumere qualunque valore tra \(+\infty\) e \(-\infty\). Dato che quella equazione definisce la trasformazione in ogni suo punto, deduciamo che si tratta ancora una volta di una trasformazione quasi statica. Il …

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Trasformazione ciclica

Una trasformazione ciclica è una trasformazione termodinamica tale da riportare il sistema nello stesso stato da cui era partito. La conseguenza più immediata di questo, essendo l’energia interna una funzione di stato, è che \(\Delta U=0\) e quindi che \(Q = L\), dove \(Q\) ed \(L\) sono, rispettivamente, la somma delle quantità di energia termica e la somma delle quantità …

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Trasformazione a temperatura costante (isoterma)

Una trasformazione a temperatura costante (detta anche isoterma) è una trasformazione termodinamica certamente quasi-statica e si può pensare realizzata in un sistema pistone-cilindro in equilibrio termico con una sorgente. Essa è definita dall’equazione \(dT = 0\) ed è rappresentabile nel piano di Clapeyron, anche se il suo andamento dipende dall’equazione di stato f (p, v,T) = 0 che caratterizza il sistema. …

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Trasformazione a pressione costante (isobara)

Una trasformazione a pressione costante (detta anche isobara) è una tipologia di trasformazione termodinamica che si può pensare realizzata in un sistema pistone-cilindro mantenendo invariate, durante la trasformazione, le forze agenti sul pistone. Come equazione della trasformazione si può usare indifferentemente l’espressione \(dp = 0\) oppure l’espressione \(p = cost\). Affinché sia \(p = cost\) durante la trasformazione, quest’ultima deve essere …

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Trasformazione a volume costante (isocora)

Una trasformazione a volume costante (detta anche isocora) è una tipologia di trasformazione termodinamica che si può realizzare in un sistema delimitato da pareti rigide e fisse. Chiaramente, dato che risulta nullo il lavoro connesso a variazioni di volume, il primo principio assume la formulazione \(\Delta U_{1,2} = Q_{1,2}\), in base alla quale l’energia termica somministrata (o sottratta) al sistema si ritrova interamente …

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Trasformazione adiabatica

Una trasformazione adiabatica è una tipologia di trasformazione termodinamica caratterizzata dal fatto che il sistema non scambia calore con l’ambiente: ciò significa che \(Q_{1,2} = 0\) e quindi che il primo principio della termodinamica assume la formulazione \(\Delta U_{1,2} = L_{1,2}\). In base a questa relazione, l’energia meccanica somministrata (o sottratta) al sistema, in una trasformazione adiabatica, si ritrova interamente come …

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Trasformazione quasistatica

Si definisce trasformazione quasi-statica quella trasformazione termodinamica che avviene in modo estremamente lento, in maniera tale che il sistema termodinamico in esame, passando da uno stato di equilibrio iniziale A ad uno stato di equilibrio finale B, attraversi una successione di infiniti stati di equilibrio, separati tra loro da trasformazioni infinitesime e da variazioni infinitesime delle proprietà …

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Gradiente di temperatura

Si definisce gradiente di temperatura come una quantità fisica utilizzata per descrivere la direzione e l’intensità delle variazioni di temperatura. Formalmente, esso è un campo vettoriale definito come campo gradiente di un campo scalare, che è appunto il “campo di temperatura”. Campo delle temperature Si parla di campo delle temperature se è possibile valutare il …

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Temperatura critica

Si definisce temperatura critica la temperatura al di sopra della quale una sostanza non può esistere allo stato liquido; ciò significa che non può essere in alcun modo condensato per semplice compressione, cioè non può essere portato allo stato liquido comprimendolo a temperatura costante.

Conducibilità termica

Si definisce conducibilità termica, indicata con il coefficiente \(k\) quella proprietà intrinseca dei materiali che permette la determinazione del campo termico, in dipendenza alla quantità di calore che si trasmette per conduzione attraverso una qualsiasi superficie. In altre parole rappresenta la capacità di un sistema termodinamico nel farsi attraversare da una quantità di calore \(dQ\); tanto più …

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Calore di vaporizzazione

Il calore di vaporizzazione è una misura diretta della quantità di energia necessaria a superare le forze che tengono unite le molecole adiacenti in un liquido, in modo da permettere alle singole molecole di distaccarsi dalle altre e di passare allo stato gassoso.

Calore di reazione

Si definisce calore di reazione la quantità di calore sviluppata o assorbita durante una reazione chimica. Esso ha un valore diverso se misurato a pressione costante o a volume costante. Un caso particolare è il calore di combustione, che è la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa dell’unità di massa di una sostanza.

Calore latente

Si definisce calore latente la quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo dall’inizio alla fine di un suo passaggio di stato (fusione, evaporazione/ebollizione, sublimazione). Rappresenta anche la quantità di calore estraibile dall’unità di massa durante il passaggio di stato opposto: ad esempio, il calore latente di fusione ha lo stesso valore …

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Capacità termica

Si definisce capacità termica di un corpo (o più in generale di un qualunque sistema termodinamico) il rapporto fra il calore scambiato tra il corpo con l’ambiente e la variazione di temperatura che ne consegue. \[C=\dfrac{Q}{\Delta T}\] Nel Sistema Internazionale l’unità di misura della capacità termica è J/K, ed esprime la quantità di calore in joule che …

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Calore specifico

Si definisce calore specifico la quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo materiale, per variare di 1 °C la sua temperatura. Per i gas, sappiamo già che il calore specifico ha un valore diverso se misurato a pressione costante \(c_P\) o a volume costante \(c_V\). Il prodotto tra calore specifico di un corpo …

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Cella di Peltier

La cella di Peltier è un dispositivo termoelettrico ad effetto Peltier, utilizzata sia come dispositivo di raffreddamento che di riscaldamento; sono reversibili attraverso l’effetto Seebeck e possono essere adottate anche come generatori (ad esempio nei pannelli solari). Le celle di Peltier possono essere di due tipologie: isolate (se rivestite di materiale ceramico) e non isolate. Assimilabile dunque …

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Effetto Peltier

L’effetto Peltier scoperto da Jean Charles Athanase Peltier nel 1834 è un fenomeno termoelettrico che si manifesta quando in un circuito elettrico costituito da due conduttori metallici (o anche semiconduttori) diversi, posti in contatto (giunzione Peltier), si fa circolare corrente elettrica e questa produce un trasferimento di calore; ovvero una delle giunzioni si riscalda (acquista calore), …

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Energia libera

In Termodinamica, l’energia libera di un sistema rappresenta la quantità di lavoro macroscopico che il sistema può compiere sull’ambiente. Essa è funzione della temperatura, della pressione e della concentrazione della specie chimica considerata, e sta ad indicare due funzioni di stato: l’energia libera di Helmholtz e l’energia libera di Gibbs.

Diffusività termica

La diffusività termica \(\alpha\) è una caratteristica “interna” (o intrinseca) di un corpo materiale, che indica la rapidità nel seguire le variazioni di temperatura a fronte di una somministrazione di energia termica. È particolarmente utile per descrivere la propagazione di un campo termico in condizioni non stazionarie. Si calcola con la seguente espressione: \[\alpha =\dfrac{k}{\rho C_p}=\left[\dfrac{m^2}{s}\right]\] dove: …

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Termodinamica

La termodinamica è la branca della fisica e della chimica (nello specifico: chimica fisica) che descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di calore in lavoro e viceversa. La termodinamica classica si basa sul concetto di sistema macroscopico, ovvero una porzione di materia fisicamente o concettualmente separata …

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Entropia

Il concetto di entropia viene introdotto dal Secondo Principio della Termodinamica, dal quale è possibile evincere che l’entropia è una funzione di stato di un sistema termodinamico. Essendo una funzione di stato, i valori che essa assume non dipendono dalla natura delle trasformazioni con le quali si è giunti a quel determinato stato. È pertanto …

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Irraggiamento termico

L’irraggiamento (termico) è una delle tre modalità di trasmissione del calore; è il processo mediante il quale il calore fluisce da un corpo a temperatura maggiore verso un corpo a temperatura minore, quando i due corpi non sono a contatto, anche se tra di essi c’è il vuoto. Notiamo dunque subito una differenza con la …

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Termoelettricità

Con il termine termoelettricità si intende rappresentare l’insieme di quei particolari fenomeni termici di conversione del calore in energia elettrica, e viceversa, che si verificano in particolari materiali conduttori o semiconduttori (detti materiali termoelettrici che cioè presentano effetti termoelettrici rilevanti), correlando il flusso di calore che vi transita alla corrente elettrica che li percorre. I principali fenomeni …

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Conduzione termica

La conduzione (termica) è una delle tre modalità di trasmissione del calore; è un processo mediante il quale il calore fluisce da una regione a temperatura maggiore verso una regione a temperatura minore attraverso un solo mezzo (solido, liquido o aeriforme) o attraverso mezzi diversi posti a diretto contatto fisico. Nella conduzione, l’energia si trasmette per contatto diretto …

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Trasformazione termodinamica

Prende il nome di trasformazione termodinamica (o processo termodinamico) di un sistema, una qualsiasi modificazione che comporti la variazione di almeno una delle sue proprietà interne. A seconda che tale variazione sia infinitesima oppure finita avremo una trasformazione infinitesima oppure finita. È bene distinguere una trasformazione da un semplice fenomeno fisico: per esempio, un sistema semplice costituito da un …

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Temperatura

La temperatura è una grandezza fisica intensiva, ciò significa che per essere definita concettualmente necessita di una valutazione in termini di effetti provocati da sue variazioni sul comportamento dei materiali. Infatti la temperatura viene valutata in funzione dell’energia cinetica media posseduta dagli atomi costituenti la materia, e descrive lo stato termodinamico dei sistemi in equilibrio. Inoltre, una …

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