Universita’ degli Studi dell’Insubria Chimica Fisica Entropia [email protected] http://scienze-como.uninsubria.it/bressanini Seconda Legge della Termodinamica L’entropia di un sistema isolato durante un processo spontaneo aumenta Stot 0 © Dario Bressanini Entropia: Riassunto S e’ una funzione di stato! Stot = Ssis + Samb Se Stot e’ positivo il processo e’ spontaneo Se Stot e’ negativo, il processo e’ spontaneo nella direzione opposta. In un processo spontaneo, l’Entropia dell’universo aumenta sempre © Dario Bressanini Entropia per processi spontanei Per processi spontanei Stot = Ssis + Samb > 0 © Dario Bressanini Processi Spontanei Un processo è spontaneo se l’entropia dell’Universo aumenta. Stot = Ssis + Samb 0 É scomodo dover esplicitamente tener conto di quello che succede nell’Universo. Preferiremmo concentrarci solo sul sistema. Se lavoriamo a pressione costante è facile tener conto dei contributi entropici dell’ambiente. © Dario Bressanini Energia di Gibbs Introduciamo G la funzione G = H – T S = energia di Gibbs (un tempo ‘energia libera’) La variazione finita di G è G = H- (TS) A Temperatura e pressione costante G = H- TS © Dario Bressanini Energia di Gibbs e Spontaneità G < 0 - processo spontaneo G > 0 - processo non spontaneo (spontaneo nella direzione opposta) G = 0 - sistema in equilibrio © Dario Bressanini Energia di Gibbs e Universo Se p e T sono costanti G < 0 © Dario Bressanini Suniverso > 0 Contributi al G G = H - TS Distinguiamo i due contributi alla variazione di energia di Gibbs Entropico (S) Entalpico (H) . H S G - + - Processo spontaneo per ogni T - - ? Processo spontaneo a basse T + + ? Processo spontaneo ad alte T + - + Processo mai spontaneo per qualsiasi T © Dario Bressanini Macchine Termiche e Ciclo di Carnot Macchine Termiche Serbatoio Freddo Isolante Fluido Serbatoio Caldo Una macchina termica opera tra due temperature diverse e trasforma parte del calore in lavoro Il fluido interno compie un ciclo © Dario Bressanini Motore © Dario Bressanini Ciclo di Carnot 1 qH TH= costante 2-3 : Adiabatica 2 p qL 4 TL= costante V © Dario Bressanini 1-2 : Isoterma 3-4 : Isoterma 3 4-1 : Adiabatica Lavoro Estratto Ciclo di Carnot © Dario Bressanini Ciclo di Carnot Efficienza: Lavoro Compiuto / Calore Assorbito = 1-TC/TH © Dario Bressanini Nessun ciclo puo’ essere piu’ efficiente di un ciclo di Carnot senza violare la Seconda Legge Si puo’ tendere a Efficienza 1 se TC 0 Percorrendo un ciclo in senso antiorario otteniamo un frigorifero. Il Ciclo di Otto Quattro Tempi 12: adiabatica lenta 23: isocora veloce 34: adiabatica lenta 41: isocora veloce © Dario Bressanini Motore a ciclo di Otto Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal carburatore © Dario Bressanini Motore a ciclo di Otto Passo 2: Compressione della miscela © Dario Bressanini Motore a ciclo di Otto Passo 3: Accensione ed espansione della miscela © Dario Bressanini Motore a ciclo di Otto Passo 4: Scarico dei Gas © Dario Bressanini Ciclo di Stirling © Dario Bressanini Lavoro ed Energia di Gibbs L’Energia di Gibbs rappresenta il massimo lavoro non di espansione ottenbile da un processo © Dario Bressanini Lavoro ed Energia di Gibbs © Dario Bressanini Variazione di Energia di Gibbs G = H H = G + TS Energia Disponibile Benzina Energia Interna Legami Chimici © Dario Bressanini - T S oppure Lavoro utilizzabile Ruote che girano, batteria che si carica, luci… Energia Dispersa Calore disperso nell’ambiente, che aumenta l’entropia dell’univrso Efficienza L’efficienza e’ il rapporto tra il lavoro estratto e l’energia fornita. Apparecchio Batterie a secco Caldaia domestica Razzo a combustibile liquido Motore di automobile Lampada a fluorescenza Cella solare Lampada ad incandescenza © Dario Bressanini efficienza 90% 65% 50% < 30% 20% ~10 % 5% G indicatore di efficienza Per un processo non spontaneo, G fornisce informazioni sulla minima quantita’ di lavoro necessaria per far avvenire il processo © Dario Bressanini Non e’ raggiungibile il 100% di efficienza Crisi Energetica? Se l’energia totale si conserva, perche’ abbiamo un “problema energetico” ? Tutta (o quasi) l’energia che usiamo arriva da un’unica fonte: il Sole Idrodinamica Eolica Combustibili fossili … Il problema e’ la degradazione delle forme di energia. A mano a mano che trasformiamo l’energia, diminuiamo la parte utile. Stiamo rapidamente consumando l’energia immagazzinata nei combustibili fossili. © Dario Bressanini III Legge della Termodinamica S(T=0) Per T = 0, tutto il moto termico si è smorzato, e in cristallo perfetto gli atomi o gli ioni formano un reticolo regolare ed uniforme. Vi è un solo modo per ottenere questo arrangiamento S = k log(W) = k log(1) = 0 © Dario Bressanini III Legge della Termodinamica l’Entropia di un cristallo perfetto a 0 K è 0 A differenza delle Entalpie, le entropie hanno una scala assoluta, grazie alla Terza Legge. © Dario Bressanini Terza Legge della Termodinamica Se T = 0 con ordine massimo, S = 0 Pollock Severini Mondrian S = Smax Robert S>0 S>0 S=0 Tra il Serio e il Faceto... Prima Legge: Non puoi vincere! Non puoi ricavare da un sistema piu’ energia di quella che ci metti dentro Seconda Legge: Non puoi neanche pareggiare! Non puoi tirare fuori neanche tutta l’energia che ci metti dentro © Dario Bressanini
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