Fluidi: Concetto di Base, Variabili di Stato e Equazioni di Stato, Appunti di Fisica

Scarica Fluidi: Concetto di Base, Variabili di Stato e Equazioni di Stato e più Appunti in PDF di Fisica solo su Docsity! FLUIDI Cosa sono: I fluidi sono sostanze capaci di scorrere o fluire. Quindi sia i liquidi che i gas, avendo la capacità di fluire sono considerati fluidi. Nei liquidi si conserva il volume ma non la forma. Nei gas non si conserva nè la forma nè il volume. Variabili di stato del fluido: P = PRESSIONE  Pascal = Pa V = VOLUME  Metro Cubo = m³ oppure si può utilizzare il LITRO = L T = TEMPERATURA  Kelvin = K Cosa è la pressione: La pressione è una grandezza fisica, definita come il rapporto tra la forza agente ortogonalmente su una superficie e la superficie stessa. E’ la forza perpendicolare. ATTENZIONE Nella risoluzione dei problemi che stiamo svolgendo ora non bisogna utilizzare la formula presente qui sopra, è solo la forma generale che abbiamo utilizzato in passato. GAS IDEALE Lo studio dei gas può essere affrontato da un punto di vista sia microscopico che macroscopico. Se si sceglie il primo allora il gas viene considerato come un insieme di particelle, ognuna con la propria individualità, delle quali è necessario conoscere massa, posizione e velocità. L’unico approccio possibile è quello indicato dalla statistica e del calcolo della probabilità per poter gestire una quantità tanto grande di dati. Mentre scegliendo il punto di vista macroscopico si ignorano le singole particelle che compongono il gas e si descrive il gas nella sua globalità, mediante grandezze che vengono definite come coordinate termodinamiche. Esse sono grandezze fisiche in grado di fornire informazioni sullo stato interno del sistema costituito dal gas in maniera tale da poterne descrivere il comportamento. Esse sono TEMPERATURA, VOLUME E PRESSIONE. La parte di spazio di materia che viene studiata attraverso le coordinate termodinamiche si chiama sistema termodinamico.con l’espressione gas perfetto ideale invece si intende un modello che segue determinate leggi e al quale un gas reale si avvicina quando la densità è molto bassa e la temperatura è lontana dalla temperatura di liquefazione è il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquidò. In base all’approccio macroscopico il sistema termodinamico è costituito da un gas perfetto contenuto in un cilindro delimitato da un pistone scorrevole senza attrito. Inoltre vengono considerati trascurabili il volume proprio delle singole particelle le forze intermolecolare attrattive tra di esse. Equazione Gas Perfetti P ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T P = Pressione  Pa V = Volume  m³ n = numero di moli  mol R = Costante dei Gas Perfetti 8,314462618... ≈ 8,31 j / mol ⋅ K T = Temperatura  K COME RICAVIAMO LA FROMULA: Si considera una mole di un qualsiasi gas e due isoterme alle temperature di 0° C e t°C . Perciò il gas si troverà inizialmente alla pressione Po e al volume Vo. Perciò il gas verrà sottoposto a due diverse trasformazioni: Una trasformazione isobara con dunque pressione costante: Pf = Po ⋅ ( 1 + α ⋅ Δt ) Una trasformazione isoterma che dunque ha la temperatura costante: Vo = Vo ⋅ ( 1 + β ⋅ Δt ) PRIMA LEGGE DI GAY LUSSAC La prima legge di Gay Lussac viene detta anche ISOBARA cioè IS = uguale, BAR = barometro dato che il barometro è lo strumento che viene utilizzato per misurare la pressione perciò nell’ISOBARA vi sarà la PRESSIONE COSTANTE. AUMENTA IL VOLUME E LA TEMPERATURA P = COSTANTE ISOBARA Pf = Po ⋅ ( 1 + 1/273,15 ⋅ Δt ) V1 / T1 = V2 / T2 Δt = tf – ti Vf = Vo ⋅ ( 1 + α ⋅ Δt ) α  COEFFICIENTE ANGOLARE = 1 / 273,15 °C -1 Vo = Vi Da dove deriva α Α= ΔV / V0 ⋅ 1/Δt TRASFORMAZIONE ISOBARA CON VALORE ASSOLUTO V = V0 ⋅ α ⋅ T V1 / t1 ⋅ V2 / t2 ESEMPIO PAG. 402 N. 19 t1 = 25° C Vi = 12,4 m³ tf = 60° C Vf = ? Vf = Vi ⋅ ( 1 + α ⋅ Δt ) = = 12,4 m³ ⋅ ( 1 + 1/273,15 ⋅ ( 60°C – 25°C ) ) = = 12,4 m³ ⋅ ( 1 + 1/273,15 ⋅ 35°C ) = = 12,4 m³ ⋅ ( 1 + 0,12 ) = = 12, 4 m³ ⋅ 1,12 = = 13,88 m³ SECONDA LEGGE DI GAY LUSSAC La seconda legge di Gay Lussac viene detta anche ISOCORA poiché ha VOLUME COSTANTE. P / t = COSTANTE Pf = P0 ( 1 + α⋅ Δt ) P1 / t1 = P2 / t2 Isocora con temperatura assoluta P = P0 ⋅ α ⋅ T ESEMPIO PAG. 402 N. 31 Pf = 2 Pi t1 = 0°C tf = ? Pf = Pi ⋅ ( 1 + 1 / 273,15 ⋅ Δt ) 2 Pi = Pi ⋅ ( 1 + 1 / 273,15 ⋅ Δt ) 2 = 1 + 1 / 273,15 ⋅ Δt 2 – 1 = 1 / 273,15 ⋅ Δt Δt = 1 / 0,00366 = 273, 32° C I punti fissi dell’acqua sono 0 °C e 100 °C e hanno L’inconveniente di dipendere dal valore della pressione a cui avvengono la fusione del ghiaccio e l’ebollizione dell’acqua. Per questa ragione Per la definizione della scala termine vi sono adottati: fissi che danno maggiori garanzie di precisione: lo zero assoluto è il cosiddetto punto triplo dell’acqua che costituisce il punto fisso campione per la termologia. Vi sono tre misure: Pressione, Volume e Tempreratura che coincidono tutte in un punto detto PUNTO TRIPLO. Quando si riscalda molto lentamente del ghiaccio di acqua si ottiene una situazione nella quale contemporaneamente sono presenti tutte e tre le fasi dell’acqua: solida, liquida e vapore.si tratta del cosiddetto punto triplo, che si verifica a una temperatura di 273,16 K o 0,01 °C è una pressione precisa di 610,5 Pa o 4,58 mmhg. Lo zero assoluto è di 0K mentre il punto triplo dell’acqua è di 273,16 K ecco perché il Kelvin è la frazione uno fratto 273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua. A 4°C l’acqua ha una precisa densità che sarà uguale alla massa / volume. Per raggiungere il punto triplo si mette acqua distillata in un contenitore opportuno. Dopo che estratta l’aria, il contenitore viene chiuso ermeticamente. Mettendo una parte del contenitore a contatto con un corpo molto freddo, si fa in modo che si formi nell’acqua uno strato di ghiaccio in prossimità della parete. Allontanando il corpo freddo è inserendo un termometro a gas, si può notare che dopo un po’ di tempo sono presenti simultaneamente in equilibrio tutte e tre le fasi dell’acqua. PASSAGGI VARI Per passare da °C a K si somma 273,15 poiché 0°C = 273,15 K Per passare da atm a Kpa si moltiplica per 101 4,18 caloria equivalgono ad 1 J TERMODINAMICA La termodinamica studia le leggi con cui un sistema scambia energia con l’ambiente. In particolare si occupa di quei processi che consentono di ricavare lavoro meccanico a partire dal calore e viceversa. Due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo e quindi possiedono la sua stessa temperatura sono in equilibrio termico anche fra di loro. La caloria (cal) è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 g di acqua distillata di 1 °C o da 14,5 a 15,5 °C alla pressione atmosferica normale. 1 cal intesa come energia termica equivale 4,186J. L’energia interna U Di un sistema è la somma di tutte le energie, di tipo sia cinetico sia potenziale, posseduta dagli elementi costituenti il sistema stesso. Lavoro termodinamico = P ( pressione ) ⋅ V ( volume ) Il lavoro normalmente si calcolerebbe come L= F ⋅ s -> j Il lavoro è appunto la forza per lo spostamento La pressione invece normalmente si calcolerebbe come : superfice F = pressione ( p ) ⋅ s ( intesa come area ) PRIMO PRINCIPIO Durante una trasformazione termodinamica, indipendentemente dal modo in cui essa si realizza, il calore assorbito dal sistema è uguale alla somma del lavoro L compiuto dal sistema stesso e della variazione della sua energia interna Δ U. Il primo principio della termodinamica si applica alle macchine termiche. Una macchina termica è qualsiasi cosa che va produrre del lavoro andando ad utilizzare il calore. Q1 > Q2 1 J = 4,18 cal Q= Cs ⋅ Δt Cs = calore specifico Q = L ⋅ ΔU ΔU = energia interna che da calore ΔU = Q – L L = Q – ΔU Q = ΔU + L ( calore latente ) L = Q / m Secondo principio Il secondo principio della termodinamica si presenta in due formulazioni, rispettivamente dovuta kelvin-Planck e a Clausius, ed equivalenti tra loro. La prima stabilisce che in un processo termodinamico il calore non può essere integralmente convertito in energia, la seconda che il colore non fluisce spontaneamente da un corpo più freddo a uno più Enunciato del secondo principio della termodinamica di kelvin-Planck È impossibile realizzare una trasformazione termodinamica che abbia come unico risultato la completa trasformazione in lavoro del calore assorbito da una sorgente a temperatura costante Enunciato del secondo principio della termodinamica di Clausius È impossibile realizzare un processo termodinamico che abbia come unico risultato il passaggio di calore da un corpo a temperatura minore ad una temperatura maggiore ∆U=Q−L ∆U=Energia Interna→J ( Joule ) Q = Calore →J ( Joule ) L = Lavoro →J ( Joule ) TERZO PRINCIPIO Non si può arrivare alla temperatura dello zero assoluto cioè a -273,15° L’elettrone non vivrebbe più