1 Esercizio (tratto dal problema 13.29 del Mazzoldi 2) Una mole di gas ideale monoatomico compie un ciclo reversibile formato da una trasformazione isoterma AB, una trasformazione isobara BC, e una trasformazione adiabatica CA. Nello stato A il gas occupa un volume VA = 10−3 m3 e ha una temperatura TA = 500 K, mentre nello stato C il gas occupa un volume VC = 2 · 10−3 m3 . 1. disegnare il ciclo nel piano p − V [2 punti]; 2. determinare pressione, temperatura e volume nei tre stati A, B e C [3 punti]; 3. calcolare il lavoro svolto dal gas durante ciascuna trasformazione [6 punti]; 4. calcolare il rendimento del ciclo [4 punti]; SOLUZIONE: 1. Notiamo che, siccome una curva adiabatica (C→A) ha pendenza maggiore di una curva isoterma (A→B), nella trasformazione isobara B→C il volume deve necessariamente diminuire. Osservando inoltre che VC > VA , concludiamo che il grafico del ciclo sul piano p − V è come in figura p A C B V 2. Per determinare le variabili termodinamiche negli stati A, B e C procediamo in questo modo: Dr. Fabrizio Dolcini Esercitazioni di Fisica I, Dipart. di Fisica del Politecnico di Torino 2 • Per lo stato A conosciamo TA = 500 K e VA = 10−3 m3 , e dall’equazione di stato possiamo ricavare pA = nRTA VA (1) Sostituendo i valori numerici 1 mol · 8.314 molJ K 500 K = 10−3 m3 J = 41.57 · 105 3 = m 5 N = 41.57 · 10 2 = m = 41.57 bar pA = (2) • per lo stato C conosciamo il volume VC = 2 · 10−3 m3 . Dato che la curva CA è un’adiabatica, si ha TA VAγ−1 = TC VCγ−1 dove γ= cp = cV 5R 2 3R 2 = 5 3 (3) (gas monoatomico) (4) Pertanto ricaviamo che TC = TA VA VC γ−1 = TA VA VC 2/3 (5) Sostituendo i valori si ottiene TC 2/3 1 = = 500 K 2 = 315 K (6) La pressione vale pC = = = 2/3 nRTC nR VA = TA = VC VC VC nRTA VA VA 2/3 = VA VC VC nRTA VA 5/3 VA VC (7) Sostituendo i valori si ottiene pC = 1 mol · 8.314 molJ K 500 K 10−3 m3 5/3 1 = 2 = 13.09 · 105 N/m2 = = 13.09 bar (8) Dr. Fabrizio Dolcini Esercitazioni di Fisica I, Dipart. di Fisica del Politecnico di Torino 3 • Nello stato B conosciamo TB = TA = 500 K (9) dato che AB è un’isoterma. Inoltre nRTA pB = pC = VA VA VC 5/3 (10) e dunque pB = 13.09 bar (11) Dall’equazione di stato si ha nRTB nRTA = = pB pC usando (7) 5/3 VC = VA VA VB = (12) Sostituendo i valori VB = 10−3 m3 · 25/3 = = 3.17 · 10−3 m3 (13) Equivalentemente VB si poteva anche determinare ricordando che, essendo AB un’isoterma si ha TA = TB ⇓ pA VA nR = pB VB nR ⇓ VB = VA pA pB (14) Sostituendo in (14) le eq.(1) e (10) si ottiene (12). 3. Per il calcolo del lavoro abbiamo • trasformazione AB: Z VB Z p dV = WAB = VA VB VA nRTA VB dV = nRTA ln = V VA [usando (12)] 5/3 VC = nRTA ln = VA 5 VC = nRTA ln 3 VA (15) Dr. Fabrizio Dolcini Esercitazioni di Fisica I, Dipart. di Fisica del Politecnico di Torino 4 Sostituendo i valori numerici WAB = 1 mol · 8.314 = 4802 J J 5 500 K ln 2 = mol K 3 (lavoro eseguito dal gas) (16) • trasformazione BC: WBC = pB (VC − VB ) = = [usando (10) e (12)] 5/3 ! VC nRTA VA 5/3 = VC − VA = VA VC VA ! 2/3 VA = nRTA −1 VC (17) Sostituendo i valori WBC J = 1 mol · 8.314 500 K mol K = −1538 J ! 2/3 1 −1 = 2 (lavoro subı̀to dal gas) (18) • trasformazione CA: Essendo CA una curva adiabatica (QBC = 0), dal primo principio (∆UCA = QCA − WCA ) otteniamo che il lavoro WCA coincide con (meno) la variazione dell’energia interna WCA = −∆UCA = U (C) − U (A) = [per un gas perfetto U dipende solo dalla temperatura] = ncV (TC − TA ) = [uso Eq.(5)] ! 2/3 VA = ncV TA − TA VC ! 2/3 VA = ncV TA −1 VC (19) Sostituendo i valori numerici, e ricordando che per un gas monoatomico cV = 3 R 2 , (20) si ha WCA 3 J = 1 mol · 8.314 500 K 2 mol K = −2307 J ! 2/3 1 −1 = 2 (lavoro subı̀to dal gas) (21) Dr. Fabrizio Dolcini Esercitazioni di Fisica I, Dipart. di Fisica del Politecnico di Torino 5 Il lavoro totale compiuto dal gas vale dunque W = WAB + WBC + WCA (22) W = 4802 J − 1538 J − 2307 J = 957 J (23) ossia 4. Per calcolare il rendimento η= W Qass (24) occorre valutare il calore assorbito. • Nel tratto isotermo AB, dal primo principio abbiamo ∆UAB = 0 ⇒ QAB = WAB = 4802 J (calore assorbito) (25) • Nel tratto isobaro BC, abbiamo QBC = ncp (TC − TB ) < 0 (calore ceduto) (26) dato che TC < TB (vedi (5) e (9)) • Nel tratto adiabatico CA, abbiamo QCA = 0 (27) Pertanto l’unico calore assorbito è quello nel tratto AB,ed il rendimento vale η = = W W = = Qass QAB 957 J = 0.199 4802 J (28) Dr. Fabrizio Dolcini Esercitazioni di Fisica I, Dipart. di Fisica del Politecnico di Torino