Le macchine termiche • • • Il primo principio ci offre la possibilità di trasformare energia interna, calore in lavoro meccanico Le macchine che realizzano queste trasformazioni di chiamano “macchine termiche” esempi di macchine termiche: – Il motore dell’automobile – Le vecchie locomotive a vapore • Gli stessi principi vengono utilizzate dai – Frigoriferi, condizionatori, pompe di calore P Pi i f Pf T Vi DU = 0 • • • • • • Vf V Q=W Una espansione isoterma trasforma tutto il calore assorbito dal serbatoio di calore a temperatura T in lavoro meccanico Una volta raggiunta la pressione atmosferica l’espansione si arresta Così anche la produzione di lavoro Occorre riportare il sistema al punto di partenza e ripetere l’espansione La macchina termica deve operare su un ciclo Perché ci sia una reale produzione di lavoro occorre far tornare indietro il sistema lungo una isoterma a temperatura più bassa G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Rendimento di una macchina termica • Se ritorno indietro lungo una isoterma a temperatura più bassa, – il lavoro da effettuare, area in rosa, per riportare il sistema nello stato iniziale è più piccolo di quello ottenuto nella prima fase – Nel ciclo si ottiene una produzione netta, positiva, di lavoro del sistema sull’ambiente esterno • Il lavoro è rappresentato dall’area racchiusa dal ciclo • Se il ciclo viene percorso in verso orario, come è il caso descritto, il lavoro è positivo (il sistema fa lavoro sull’esterno) P Pi i DU = Q - W DUii = 0 Þ W = Q h f Pf T g Vi Vf V • Se il ciclo viene percorso in verso antiorario, il lavoro è negativo, allora è l’ambiente esterno ad effettuare un lavoro sul sistema • • • • Si osservi che sulla isoterma if il sistema assorbe un calore Q pari al lavoro effettuato (area sotto la trasformazione, grigia) Nella isoterma gh il calore è negativo, viene ceduto dal sistema all’ambiente esterno Lungo le isocore in una il calore viene assorbito (hi) nell’altra viene ceduto (gf). W Si definisce rendimento di una macchina termica il rapporto tra h= il lavoro prodotto nel ciclo e il calore comunque assorbito nel ciclo: Qass G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Macchine termiche che lavorano tra due serbatoi DU = Q - W • • • • • DUii = 0 Þ W = Q Le macchine termiche sono sistemi termodinamici che descrivono un ciclo C’è una parte del ciclo in cui il sistema assorbe calore da uno o più serbatoi presenti nell’ambiente esterno C’è un’altra parte del ciclo in cui il sistema cede calore ad uno o più serbatoi presenti nell’ambiente esterno Nel ciclo il sistema esegue un lavoro netto positivo sull’ambiente esterno W h= Qass W Un caso particolare di macchina termica è quella che lavora tra due serbatoi – Schematizzabile come nella figura a lato – La macchina assorbe calore Q1 dal serbatoio a temperatura più elevata T1 – Cede il calore Q2 al serbatoio a temperatura inferiore T2 – Produce il lavoro W • Il rendimento della macchina è dato da h= W Q1 h= Q1 - Q2 Q1 =1 - Q2 Q1 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 La macchina e il ciclo di Carnot • • La macchina di Carnot è la macchina reversibile che opera con due soli serbatoi di calore Il ciclo è costituito da – due isoterme (alle temperature T1 e T2) – e da due adiabatiche (è l’unica trasformazione reversibile che non richiede ulteriori serbatoi di calore) – Nella figura è rappresentato il ciclo di Carnot percorso da un gas perfetto W • Scegliendo il punto b dove far finire l’espansione isoterma, si può variare il lavoro fatto dalla macchina in un ciclo. • Tutte le macchine reversibili che operano con due soli serbatoi di calore sono macchine di Carnot Il ciclo può essere percorso da una qualsiasi sostanza: gas perfetto, gas reale, acqua e vapor d’acqua, freon, etc. • G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Studio del ciclo di Carnot percorso da un gas perfetto • DU = Q - W Trasformazione ab - Espansione isoterma – DU=0, Q1=Wab – La trasformazione è reversibile: possiamo suddividerla in tratti infinitesimi – Il lavoro in ciascun tratto infinitesimo sarà: dW=PdV – Il lavoro complessivo ò b ò b nRT1 Wab = PdV = dV = nRT1 V a a V = nRT1[lnV ] ba = nRT1ln b Va ò b a dV = V Vb Va – Dato che Vb è maggiore di Va (espansione) il lavoro è positivo – Il calore Q1 è uguale al lavoro: è anch’esso positivo (calore assorbito) G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Studio del ciclo di Carnot percorso da un gas perfetto • DU = Q - W Trasformazione bc - Espansione adiabatica – Qbc=0, DUbc =-Wbc – La variazione di DU energia del gas perfetto DUbc = nCV (T2 - T1 ) – Dato che T2 è più piccolo di T1, DU <0 – Il lavoro W è maggiore di zero (il lavoro viene fatto dal sistema sull’ambente esterno Wbc = -nCV ( T2 - T1) • Trasformazione cd - Compressione isoterma – DU=0, Q2=Wcd – Operando come sulla trasformazione ab, otteniamo il lavoro complessivo Va Vd Vb Vc Vd Wcd = nRT2 ln Vc – Dato che Vd è minore di Vc (compressione), il lavoro è negativo – Il calore Q2 è uguale al lavoro: è anch’esso negativo (calore ceduto) G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Studio del ciclo di Carnot percorso da un gas perfetto DU = Q - W Trasformazione da - Compressione adiabatica – Qda=0, DUda =-Wda – La variazione di DU energia del gas perfetto DUda = nCV ( T1 - T2 ) – Dato che T2 è più piccolo di T1, DU >0 – Il lavoro W è minore di zero (il lavoro viene fatto sul sistema dall’ambente esterno Wda = -nCV ( T1 - T2 ) • • • Si osservi che Wda=-Wbc Il lavoro complessivo svolto nel ciclo sarà: W=Wab+Wbc+Wcd+Wda W = nRT1ln Vc Vb V + nRT2ln d Va Vc Il calore assorbito nel ciclo è solo Q1=Wab Q1 = nRT1ln • Va Vd Vb Vb Va Il rendimento del ciclo di Carnot h= W = Q1 Vb V V + nRT2ln d ln d Va Vc T2 Vc = 1+ V T1 ln Vb nRT1ln b G.M. Va - Edile-Architettura 2004/05 Va nRT1ln DU = Q - W Studio del ciclo di Carnot percorso da un gas perfetto Vb V V + nRT2ln d ln d W Va Vc T2 Vc h= = = 1+ V Q1 T1 ln Vb nRT1ln b Va Va V ln d • Vogliamo far vedere che: Vc Vb = -1 ln Va nRT1ln ab isoterma Pa Va = PbVb bc adiabatica cd isoterma PbVbg = Pc Vcg Pc Vc = PdVd da adiabatica PdVdg = • Pa Vag g -1 æ Vc ö =ç ÷ è Vd ø g-1 Vb Vc = Va Vd Va Vc Moltiplicando tutti i primi membri e tutti i secondi membri tra loro PaVaPb Vbg PcVcPdVdg = PbVb PcVcg Pd Vd Pa Vag VaVbg VcVdg = Vb Vcg Vd Vag æ Vb ö ç ÷ è Va ø Vd Vb Vbg-1Vdg -1 = Vcg -1Vag -1 h = 1- T2 T1 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Il frigorifero • • • Il ciclo di Carnot è un ciclo reversibile Quindi può essere percorso all’indietro Ma quando una trasformazione viene percorsa al contrario – – – – • Si invertono i segni degli scambi energetici Sicuramente cambia segno DU Ma anche W e Q Quelle che erano le quantità assorbite diventano cedute e viceversa w quindi la macchina di Carnot lavorando al contrario – assorbe il lavoro W – assorbe il calore Q2 dal serbatoio più freddo – cede la quantità di calore Q1 al serbatoio più caldo • • Abbiamo realizzato un frigorifero Si definisce coefficiente di prestazione del frigorifero e= Q2 Q2 = W Q1 - Q2 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Il secondo principio della Termodinamica Enunciato di Kelvin-Plank • Le macchine termiche sono sistemi termodinamici che descrivono un ciclo • C’è una parte del ciclo in cui il sistema assorbe calore da uno o più serbatoi presenti nell’ambiente esterno • C’è un’altra parte del ciclo in cui il sistema cede calore ad uno o più serbatoi presenti nell’ambiente esterno • Nel ciclo il sistema esegue un lavoro netto positivo sull’ambiente esterno • è impossibile realizzare un processo il cui unico risultato sia quello di assorbire calore da un serbatoio e di convertirlo completamente in lavoro. h= Q1 - Q2 Q1 =1 - Q2 Q1 <1 T1 W Macchina monoterma W(=Q1) Q1 Q1 £ 0 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Il secondo principio della Termodinamica Enunciato di Clausius • non è possibile realizzare un processo il cui unico risultato sia quello di far passare del calore da un corpo più freddo ad uno più caldo. • • Il passaggio di calore da un corpo più freddo ad uno più caldo deve essere sempre accompagnato da qualche altra modifica da qualche altra parte nell’universo Ossia c’è bisogno di un lavoro esterno G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Verifica dell’equivalenza tra le due formulazioni • • Si può vedere che violando una formulazione è violata anche l’altra Supponiamo che esiste una macchina termica che riesca a trasformare tutto il calore estratto da un serbatoio a temperatura T1 in lavoro meccanico. Posso usare questa macchina accoppiandola ad una macchina di Carnot che facciamo lavorare come frigorifero • – T1 Q1 Il lavoro prodotto dalla prima macchina viene utilizzato per far funzionare il frigorifero W T2 T1 • • L’effetto cumulativo delle due macchine è un frigorifero ideale che preleva il calore Q2 dal serbatoio più freddo e lo trasferisce a quello più caldo senza richiedere alcun lavoro dall’esterno Questa macchina viola la seconda formulazione del II principio W Q'1 Q2 T2 T1 Q1 T1 W= Q1 Q2 T2 Q'1= Q2+ Q1 Q2 Q2 T2 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Irreversibilità e II principio • • Il secondo principio della termodinamica ci fa capire perché alcune trasformazioni sono irreversibili Prendiamo il passaggio di calore tra due corpi inizialmente a temperatura differente: – • Il secondo principio ci impedisce di realizzare la condizione di partenza perché bisogna trasferire del calore da un corpo più freddo ad uno più caldo è per fare questo occorre produrre qualche altra modifica da qualche altra parte nell’universo prendiamo un pendolo messo in oscillazione che dopo un po’ si ferma perdendo la sua energia meccanica in energia interna dell’aria e dei corpi interessati – – Per ripristinare la situazione iniziale occorrerebbe estrarre dall’aria e dai corpi questa energia interna e ritrasformala, tutta, in lavoro (energia meccanica) Il secondo principio ci impedisce di fare questo: una parte dell’energia non può essere trasformata in lavoro meccanico e deve essere ceduto ad un serbatoio a temperatura più bassa. G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Il teorema di Carnot • Tutte le macchine che lavorano tra due termostati hanno un rendimento che è minore, o al massimo uguale, a quello di una macchina di Carnot che lavori tra gli stessi due termostati. • tutte le macchine reversibili (tutte le macchine di Carnot) che lavorano tra gli stessi termostati hanno, tutte, lo stesso rendimento. • • • • La dimostrazione si fa per assurdo: Supponiamo che esista una macchina X che lavora tra i due termostati a temperatura T1 e T2 che abbia un rendimento maggiore della macchina di Carnot operante tra gli stessi termostati Regolando il ciclo della macchina di Carnot facciamo in modo che il lavoro fatto dalle due macchine in un ciclo sia uguale Consideriamo positive tutte le quantità di calore, per distinguere il calore assorbito da quello ceduto useremo esplicitamente il segno Q’1 Q’2 w C G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Il teorema di Carnot W hX = Q'1 hC = hX > hC Þ W = Q'1 - Q'2 W = Q1 - Q2 W W > Q'1 Q1 Q’1 W Q1 Þ Q1 > Q'1 Þ Q'1 - Q'2 = Q1 - Q2 Q’2 Þ Q2 - Q'2 = Q1 - Q'1 Q1 - Q'1 > 0 Q2 - Q'2 > 0 w C G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Il teorema di Carnot • • • • • • • • Se combiniamo le due macchine otteniamo una macchina che trasferisce il calore Q=Q2-Q’2 (>0) dal serbatoio a temperatura più bassa a quello a temperatura più alta senza richiedere alcuna altra modificazione nell’universo. Contraddice il secondo Principio della Termodinamica hX £ hC cvd L’ipotesi da cui siamo partiti è falsa. Quindi Dimostrazione della 2a parte Se la macchina X è reversibile allora il suo ciclo può essere invertito e si può scambiare il ruolo della macchina X con quello della macchina di Carnot Ripetendo lo stesso ragionamento a ruoli invertiti hC £ hXrev otterremo: Le due relazioni precedenti devono essere vere contemporaneamente. hXrev = hC cvd Questo accade solo se G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Conseguenze del teorema di Carnot • • Dati due termostati a temperatura diversa, la maniera più efficiente per trasformare calore in lavoro meccanico è quello di utilizzare una macchina di Carnot. il rendimento di una macchina di Carnot è indipendente dalla sostanza impiegata per percorre il ciclo, gas perfetto, gas reale, acqua e vapore d’acqua, freon. etc, dipende solo dalle temperature dei termostati tra cui opera: – Abbiamo già calcolato il rendimento di una macchina di Carnot operante con un gas perfetto h =1• T2 T1 Tutte le macchine di Carnot operanti tra questi due termostati avranno tutti lo stesso rendimento appena calcolato. G.M. - Edile-Architettura 2004/05 La temperatura termodinamica o assoluta • • • Il teorema di Carnot ci permette di definire una ulteriore scala di temperatura Infatti se prendiamo una macchina di Carnot che opera tra il corpo di cui si vuole conoscere la temperatura e il sistema del punto triplo Dalla definizione di rendimento hdef = 1hC = 1• • • Qtr Q Ttr T Þ Qtr Ttr = Q T Þ T = 273.16 Ttr Q K Qtr Il calore scambiato da una macchina di Carnot gioca il ruolo di caratteristica termometrica Questa nuova definizione della temperatura, è equivalente alla scala di temperatura del gas perfetto per tutte le temperature misurabili col gas perfetto Estende fino allo zero assoluto l’intervallo di temperature misurabili, perché all’interno della macchina di Carnot ci possiamo mettere qualunque sostanza. G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Un inventore sostiene di aver inventato cinque motori, ciascuno operante tra i serbatoi termici a 400 e 300 K. Per ogni ciclo, i dati di ogni motore sono i seguenti: – – – – – – Qa=200 J, Qc=-175 J, W=40 J Qa=200 J, Qc=-150 J, W=50 J Qa=600 J, Qc=-200 J, W=400 J Qa=100 J, Qc=-90 J, W=10 J Qa=500 J, Qc=-200 J, W=400 J Dire quali dei due principi della termodinamica (eventualmente entrambi) vengono violati da ciascun motore. Nel caso invece entrambi i principi della termodinamica risultino soddisfatti, stabilire se il ciclo è reversibile hC =1• T2 300 =1= 0.25 T1 400 Applic azione h £ hC No primo • Ok primo, ok secondo, reversibile • Ok primo, no secondo • Ok primo, ok secondo, non reversibile • No primo W 50 = = .25 Qass 200 W 400 h3 = = = .66 Qass 600 W 10 h4 = = = .10 Qass 100 h2 = G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Una macchina termica a combustione interna, il motore dell'automobile a benzina, può essere approssimata con il ciclo mostrato in figura. Si supponga che la miscela aria-benzina possa essere considerato un gas perfetto e che venga utilizzato un rapporto di compressione 4 a 1 (V4 = 4V1). Si supponga inoltre che p2=3p1. – – – Determinate la pressione e la temperatura in ognuno dei quattro vertici del diagramma p-V in funzione di p1 e T1, e del rapporto g dei calori specifici del gas. Esprimere il rendimento del ciclo in funzione del rapporto di compressione. Confrontare con il rendimento di una macchina di Carnot che lavora tra le temperature estreme. 3p1 • • Applic azione Questo ciclo è denominato “ciclo Otto” ed è il ciclo secondo cui funziona il motore benzina. Punto 2 V2 = V1 P2 = 3P1 T2 = P2V2 3P1V1 = = 3T1 nR R P1V1 RT1 • 2 Adiabatica 3 Scoppio p1 1 Adiabatica 4 V1 V4 Punto 3 V3 = V4 = 4V1 V2g V1g P3 = P2 g = 3P1 g g = 3´ 4-g P1 V3 4 V1 P3V3 3´ 4-g P1 ´ 4 ´V1 T3 = = = 3´ 41-g T1 PV nR R 1 1 RT1 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Una macchina termica a combustione interna, il motore dell'automobile a benzina, può essere approssimata con il ciclo mostrato in figura. Si supponga che la miscela aria-benzina possa essere considerato un gas perfetto e che venga utilizzato un rapporto di compressione 4 a 1 (V4 = 4V1). Si supponga inoltre che p2=3p1. – – – Determinate la pressione e la temperatura in ognuno dei quattro vertici del diagramma p-V in funzione di p1 e T1, e del rapporto g dei calori specifici del gas. Esprimere il rendimento del ciclo in funzione del rapporto di compressione. Confrontare con il rendimento di una macchina di Carnot che lavora tra le temperature estreme. 3p1 V4 = 4V1 • Applic azione Punto 4 V r= 4 =4 V1 Adiabatica 3 Scoppio V1g V1g P4 = P1 g = P1 g g = 4-g P1 V4 4 V1 p1 P4V4 4-g P1 ´ 4 ´V1 T4 = = = 41-g T1 PV nR R 1 1 RT1 4 nCV (T4 - T3 ) ( W Qced h= =1+ =1+ =1+ Qass Qass nCV (T2 - T1 ) 1-g T4 41-g T1 1 hC =1- =1=1T2 3T1 3´ 4g -1 2 - 3´ 41-g ) T1 (3-1) T1 1 Adiabatica 4 V1 V4 41-g (1- 3) 1 =1+ =1- g -1 4 (3-1) G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • • In un ciclo di Carnot l'espansione isoterma di un gas ideale avviene a 412 K e la compressione isoterma a 297 K. Durante l'espansione il gas assorbe 2090 J di energia termica. Determinare: – – – – • Applic azione Il lavoro fatto dal gas durante l'espansione isoterma Il calore ceduto dal gas durante la compressione isoterma Il lavoro fatto sul gas durante la compressione isoterma Il rendimento del ciclo. O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Una macchina termica ciclica funziona tra due sorgenti costituite rispettivamente da una massa m di vapore d'acqua a 100°C e da una massa m1=1kg di ghiaccio a 0°C. la macchina preleva calore dalla sorgente calda e viene fatta funzionare finché tutto il ghiaccio si è fuso o il vapore si è liquefatto. – – la macchina termica sia irreversibile con rendimento h*=0,2: quale deve essere il valore della massa del vapore m se si vuole fondere tutto il ghiaccio? Si dica quale tipo di macchina si deve usare per fondere il ghiaccio facendo liquefare • • – • Applic azione la massa minima di vapore, la massa di vapore più grande possibile (mmax). Si calcoli la variazione di entropia del sistema costituito dalle sorgenti e dalla macchina termica nei tre casi considerati. Si usino i seguenti valori approssimati: calore latente di fusione del ghiaccio lf = 79,7 cal/g, calore di liquefazione del vapore di acqua le = 539 cal/g. O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Una mole di gas perfetto monoatomico viene utilizzata come sostanza di lavoro di una macchina termica che compie il ciclo mostrato in figura. Si calcoli: • Il lavoro fatto dalla macchina in un ciclo. • Il calore assorbito per ciclo • Il rendimento di una macchina di carnot operante tra la più alta e la più bassa temperatura presenti nel ciclo • Applic azione Si ponga P1=3P0, V1=2V0, P0=1,01x105 Pa e V0=22,5 litri. P • O cV ,P 1 1 b a V0,P0 d V G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Dal teorema di Carnot al teorema di Clausius T1 • Il teorema di Carnot ci ha detto che il rendimento di una qualunque macchina termica operante tra due termostati è minore o al massimo uguale a quello della macchina di Carnot operante tra gli stessi termostati. Q Q hdef = 1- 2 = 1+ 2 Q1 Q1 Q T Q2 T Þ 1+ 2 £ 1- 2 Þ £- 2 Q1 T1 Q1 T1 T hC = 1- 2 T1 Q2 Q £- 1 T2 T1 • • • Q1 Q2 Þ + £0 T1 T2 Questa relazione può essere generalizzata al caso di una macchina che scambia calore con n serbatoi. Q Þ å i £0 i=1 Ti Q1 W X Q2 T2 T1 Q1 Q2 2 n Qi åT i=1 M Q3 T2 T3 Qi £0 i Teorema di Clausius Qn Ti Tn La somma dei calori scambiati in un ciclo dalla macchina M con gli n serbatoi, ciascun calore diviso per la temperatura del serbatoio con cui viene scambiato, è minore o uguale a zero. - Edile-Architettura Strettamente minore se parti del ciclo sono irreversibili. Uguale se ilG.M. ciclo è reversibile. 2004/05 Il teorema di Clausius n • • • • Qi è il calore scambiato con il serbatoio i-esimo Ti è la temperatura del serbatoio i-esimo La somma è effettata su tutti i serbatoi con cui viene scambiato calore in un ciclo Se il numero di serbatoi con cui il sistema interagisce in un ciclo è infinito: ò dQ £0 T • • å i=1 Qi £0 Ti T1 Q1 M Q2 Q3 T2 T3 Qi Strettamente minore = ciclo irreversibile Uguale = ciclo reversibile Qn Ti Tn • • dQ è il calore infinitesimo scambiato con il serbatoio a temperatura T T è la temperatura del serbatoio con cui viene scambiato il calore dQ. – N.B. la temperatura del sistema quando viene scambiato il calore dQ potrebbe non essere nota – Solo se la trasformazione è reversibile la temperatura del sistema quando viene scambiato il calore dQ è proprio uguale alla temperatura T del serbatoio con cui avviene lo scambio • L’integrale è esteso al ciclo G.M. - Edile-Architettura 2004/05 L’entropia • • • Consideriamo due trasformazioni reversibili R1 ed R2 che portano il sistema dallo stesso stato iniziale allo stesso stato finale L’insieme della prima trasformazione più la seconda percorsa al contrario costituiscono un ciclo reversibile. Applicando Clausius a questo ciclo abbiamo: ò dQR =0 T C dQR calore scambiato reversibilmente ò R2 • i dQR f T =-ò R2 f i perchè il ciclo è reversibile dQR T Þ ò R1 f i dQR T Da cui si ottiene: + ò R2 P R1 f i i dQR f T ò R1 f i R2 V =0 dQR T = ò R2 f i dQR T Questa eguaglianza vale per qualunque trasformazione che connette lo stato iniziale con lo stato finale: l’integrale del calore scambiato reversibilmente diviso per la temperatura a cui avviene lo scambio, non dipende dalla G.M. - Edile-Architettura 2004/05 trasformazione ma solo dallo stato iniziale e finale L’entropia • Esiste dunque una funzione di stato che chiameremo entropia, S, tale che l’integrale del calore scambiato reversibilmente diviso per la temperatura a cui avviene lo scambio, effettuato su una trasformazione reversibile che connette lo stato iniziale i e lo stato finale f, è dato dalla differenza dei valori della funzione S nello stato finale meno quello dello stato iniziale ò R • • f i dQR T = S f - Si Sf - Si = DS Essendo S una funzione di stato, quando un sistema passa dallo stato iniziale i allo stato finale f, la variazione di entropia è sempre la stessa qualunque sia la trasformazione utilizzata (reversibile o irreversibile). Naturalmente per determinare la variazione di entropia devo calcolarla applicando la definizione: il calcolo della variazione di entropia si può fare solo su una trasformazione reversibile. – Se la trasformazione che stiamo studiando è reversibile allora non c’è problema, basta applicare la definizione alla trasformazione. – Se invece la trasformazione è irreversibile, occorre innanzitutto sostituire la trasformazione data con una reversibile che fa passare il sistema dallo stesso stato iniziale allo stesso stato finale, poi applicare la definizione. G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: serbatoio di calore • • • • Durante il trasferimento di calore il serbatoio non cambia stato Rimane in uno stato di equilibrio termodinamico Il trasferimento di calore avviene In maniera reversibile T Q DS = ò i f dQ R 1 f Q = dQ R = T T i T ò G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: Trasformazione reversibile • • Durante il trasferimento di calore il serbatoio e il sistema hanno la stessa temperatura Considerando un tratto infinitesimo di trasformazione T dQ Sistema T dSsist = dQ T dSserb = -dQ T dSUniverso = dSSistema + dSSerbatoio = dQR dQR T - T =0 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: generica trasformazione di un gas perfetto • • Consideriamo una generica trasformazione if Poiché l’entropia è una funzione di stato, per il calcolo della sua variazione possiamo utilizzare una qualunque trasformazione come quella mostrata in figura. DS = f ò i dQR T = c ò i dQR T f +ò c dQR T = c ò i nCV dT f nRT dV +ò = T T V c P c Pf Pi f i Tf Ti Vi Vf V c f V é ù é ù dT f dV T = ò nCV + ò nR = nCV êlnT ú + nR êlnV ú = nCV ln c + nR ln f = ë ûi ë ûc T c V Ti Vc i c Tf Vf = nCV ln + nR ln Ti Vi Tf V + nR ln f Ti Vi T P DS = nCP ln f - nR ln f Ti Pi P V DS = nCV ln f + nCp ln f G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Pi Vi DS = nCV ln Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: cambiamento di fase • Durante un cambiamento di fase, la temperatura rimane costante: DS = Sliq - Ssol = ò liq sol dQR T = la temperatura fusione di fusione è costante 1 Tfusione ml fusione ò sol dQR = T fusione liq G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: espansione libera • • • • Vuoto G as L’espansione libera è una trasformazione irreversibile Per calcolo la variazione fig. A dell’entropia dobbiamo • Vi,T utilizzare trasformazione reversibile P Pi Per esempio una trasformazione isoterma dU = dQ - dW Sull’isoterma Pf Pe • i f dU = 0 Þ dQ = dW DSsist = f ò i DSamb = 0 dQR T = f ò i dQR T = f ò i V nRT dV = nR ln f T V Vi Vf,T T Vi Vf V DSuniv = DSsist + DSamb > 0 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: conduzione di calore • • • • • • Consideriamo due corpi a temperatura diversa T1 e T2. Se i due corpi interagiscono solo tra di loro il calore Corpo 2 Corpo 1 ceduto dal corpo 1 sarà assorbito dal corpo 2 T2 T1 La trasformazione è irreversibile T1>T2 Ma avviene a pressione costante Il calore trasferito da un corpo all’altro può essere Q1 = m1c1 (Tm - T1 ) < 0 calcolato come se la trasformazione fosse reversibile Q2 = m2 c2 (Tm - T2 ) > 0 Diciamo Tm la temperatura di equilibrio Q2 = -Q1 Þ m2c2 (Tm -T2 ) = -m1c1 (Tm -T1 ) DS2 = f ò i DS1 = f ò i dQR T dQR T = f ò i = f ò i m2 c2 dT T = m2 c2 ln m T T2 m1c1dT T = m1c1 ln m T T1 DS = DS1 + DS2 = m1c1 ln Tm T + m2 c2 ln m T1 T2 Tm = m1c1T1 + m2 c2T2 m1c1 + m2 c2 dQ T+dT Corpo 2 T G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Calcolo della variazione di entropia in alcune trasformazioni: conduzione di calore • Se i due corpi sono della stessa sostanza ed hanno la stessa massa c =c =c 1 2 m1 = m2 = m m c T + m2 c2T2 mc (T1 + T2 ) (T1 + T2 ) Tm = 1 1 1 = = m1c1 + m2 c2 2mc 2 DS = DS1 + DS2 = m1c1 ln T = T1T2 = (T1 + T2 ) T2 T1 T1>T2 Tm T + m2 c2 ln m = T1 T2 dQ æ Tm Tm ö Tm2 = mc ç ln + ln ÷ = mc ln T2 ø T1T2 è T1 2 m Corpo 2 Corpo 1 T+dT Corpo 2 T 2 4 T1T2 = T12 + 2T1T2 + T22 4T1T2 T12 - 2T1T2 + T22 + 4T1T2 4T1T2 = T12 + 2T1T2 + T22 - 4T1T2 + 4T1T2 (T - T ) = 1+ 1 2 4T1T2 4T1T2 = 2 >1 DS = DSuni > 0 G.M. - Edile-Architettura 2004/05 L’aumento dell’entropia nelle trasformazioni naturali • • • Vogliamo dimostrare che nelle trasformazioni naturali (irreversibili), l’entropia dell’universo termodinamico (ossia del sistema più quella dei serbatoi di calore con cui esso interagisce) aumenta. In altri termini: la variazione di entropia dell’universo termodinamico è sempre maggiore di zero (è uguale a zero solo per trasformazioni reversibili). L’insieme della trasformazione irreversibile I e di quella reversibile II percorsa al contrario costituisce un ciclo P II I V ò – Applichiamo la disuguaglianza di Clausius dQ T £0 dQ f dQ i dQrev f dQ f dQrev f dQ ò T = ò T + ò T = ò T - ò T = ò T - DSsist £ 0 i,I f ,II i,I i,II i,I DSsist ³ f ò i,I dQ T G.M. - Edile-Architettura 2004/05 L’aumento dell’entropia nelle trasformazioni naturali • Se durante la trasformazione irreversibile il sistema non scambia calore con l’ambiente (sistema isolato), allora: f ò i,I dQ T • • • • ò i,I =0 dQ T Þ DSsist ³ 0 Þ DSuniv = DSsist + DSamb ³ 0 ³0 DSamb = 0 • DSsist ³ f =0 Se durante la trasformazione irreversibile viene scambiato del calore tra sistema e ambiente esterno Si ridefinisce un sistema più ampio costituito dal sistema stesso più tutte le sorgenti con cui il sistema ha interagito Il sistema più ampio coincide con l’universo termodinamico Tale sistema è isolato, tutti gli scambi di calore avvengono al suo interno. Ripetendo il ragionamento già fatto per questo sistema più ampio (isolato) otterremo: DS ³0 Sistema più ampio T1 Sistema T2 Tn sist _ ampio =DSuniv G.M. - Edile-Architettura 2004/05 Entropia ed energia inutilizzabile • Nei processi naturali l’entropia dell’universo aumenta – Pendolo che si ferma per gli attriti • Contemporaneamente si perde capacità di trasformare l’energia in lavoro meccanico – Nel caso del pendolo, il secondo principio della termodinamica ci impedisce di estrarre l’energia dall’aria e ritrasformarla tutta in energia meccanica. • In una trasformazione irreversibile, l’energia diventata inutilizzabile per essere trasformata in lavoro meccanico è data da: Ein=DSunivTo • • • To è la temperatura del serbatoio a più bassa temperatura tra quelli utilizzati durante la trasformazione. DSuniv è la variazione di entropia dell’universo N.B. non si deve pensare che l’energia non si sia conservata, solo che ha perso la capacità di essere trasformata in energia meccanica – È come quando si rompe un bicchiere: nessuno dei pezzi del bicchiere viene perso, il bicchiere perde solo la sua forma e quindi la capacità di contenere dei liquidi. G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Una mole di gas perfetto che occupa un volume V1=12.3 litri alla temperatura T1=300 K subisce una espansione libera che lo porta a raddoppiare il suo volume, V2=24.6 litri. Il gas viene quindi riportato con una trasformazione reversibile nel suo stato iniziale. Applic azione – Qual è la variazione di entropia dell’universo sull’intero ciclo? – Descrivere quale trasformazione reversibile voi usereste per riportare il gas al suo stato iniziale dopo l’espansione libera. – Calcolare quanta energia durante il ciclo si è trasformata in energia non più convertibile in lavoro. – Verificare che essa è pari a T1DS. • O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Un pezzo di 50.0 g di rame alla temperatura di 400 K viene posto in una scatola isolante insieme a un pezzo di 100 g di piombo alla temperatura di 200 K. – Qual è la temperatura di equilibrio dei due pezzi di metallo? – Qual è la variazione di energia interna del sistema costituito dai due pezzi di metallo, tra lo stato di equilibrio finale e lo stato iniziale? – Qual è la variazione di entropia del sistema? – (calori specifici: piombo 129 J/(kg K), rame 387 J/(kg K)) • Applic azione O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Alla pressione atmosferica l’etanolo bolle alla temperatura di 78°C, congela a – 114 °C e possiede un calore latente di evaporazione di 879 kJ/kg, un calore latente di fusione di 109 kJ/kg e un calore specifico di 2.43 kJ/(kg K). – Quanto calore deve cedere un campione di massa 0,510 kg, inizialmente in fase aeriforme alla temperatura di 78°C, per diventare solido alla temperatura di –114 °C? – Qual è la variazione di entropia subita dal campione in questo processo? • Applic azione O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • In un cilindro, munito di un pistone a tenuta, sono contenuti 20 grammi di idrogeno (molecola H2, massa molecolare M=2 u) alla pressione atmosferica (1.01x105 Pa). Il gas viene riscaldato a pressione costante dalla temperatura di 30 °C alla temperatura di 40°C, tenendolo a contatto con un serbatoio di calore alla temperatura di 50°C. – – – – – Supponendo che durante la trasformazione il gas si comporti come un gas perfetto, determinare: Il numero di moli. Il lavoro fatto dal gas. La variazione di energia interna. La variazione di entropia del gas e dell’universo. Applic azione Pe=1atm • Q O 50°C G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Un litro di gas con g=1.3 inizialmente è in equilibrio termico a 273 K di temperatura e a 1.0 atmosfera di pressione. Esso viene compresso adiabaticamente a metà del suo volume originario. – – – • Trovate la sua pressione e la sua temperatura finali. Successivamente il gas viene raffreddato lasciando disperdere, a pressione costante, il calore nell’ambiente esterno e fino a riportarlo alla temperatura dell’ambiente, 273 K, Qual è il suo volume finale. Calcolare la variazione di entropia del sistema e dell’ambiente esterno nelle due trasformazioni. Applic azione O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Un impianto a carbone da 1000 MW opera tra 800 e 300 K con un rendimento pari a due terzi del massimo possibile. Con che ritmo si perde il calore prodotto? Supponiamo che si usi l’acqua per eliminare il calore in eccesso e, in questo modo il liquido si riscalda di 8 °C. Quanta acqua deve fluire al secondo attraverso l’impianto. Di quanto aumenta l’ entropia dell’universo in un secondo? • Applic azione O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Si pone un cubo di ghiaccio di 12.6 g, alla temperatura di 0 °C, in un lago alla temperatura di 15 °C. Si determini la variazione di entropia dell'universo quando il ghiaccio si porta all'equilibrio termico con il lago (si assuma il calore latente di fusione del ghiaccio pari a lf=333 kJ/kg, il calore specifico dell'acqua pari a c =1 cal/(g K)) • Applic azione O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • Cinquanta grammi di ossigeno gassoso a 320 K compiono 80 J di lavoro mentre viene assorbita una quantità di calore di 40 cal. • )Qual è la variazione di energia interna? • )La variazione di temperatura? • )La variazione di entropia considerando la trasformazione isobara? Applic azione • (L'ossigeno è biatomico con peso atomico 16. 1 cal = 4.186 J) • O G.M. - Edile-Architettura 2004/05 • • • Una macchina frigorifera di coefficiente di prestazione 3 mantiene a temperatura costante T1 =250 K in una cella frigorifera, scaricando il calore nell'ambiente esterno, a temperatura di 300 K. Il motore della macchina, posto all'esterno, trasforma in lavoro utile il 90% dell'energia assorbita dalla rete elettrica. Il rimanente 10% viene dissipato in calore. L'isolamento delle pareti che separano la cella frigorifera dall'ambiente esterno è tale che ogni ora essa assorbe una quantità di calore Q1=4,2 x 107 J che deve essere sottratta per mantenere costante la sua temperatura T1. Si domanda: • • • • • Applic azione ) la potenza utile fornita dal motore e quella assorbita dalla rete; il calore complessivo scaricato all'esterno in un'ora; ) la variazione di entropia, dopo un'ora, della cella frigorifera e dell'ambiente esterno; ) La potenza che il motore assorbirebbe dalla rete, se il frigorifero funzionasse da macchina di Carnot reversibile, ed il calore scaricato all'esterno in un'ora. O G.M. - Edile-Architettura 2004/05