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ENERGIA TERMICA – CALORE

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ENERGIA TERMICA – CALORE

Intro:

Fino a pochi decenni fa il calore non era considerato come una forma di energia, ma come fluido calorico.

1°principio e calore:



Con il principio di conservazione dell’Energia ci fu una grossa rivoluzione che comportò l’abolizione delle vecchie convinzioni riguardo al concetto di calore; infatti viene considerato come una forma di energia che si può convertire con altre  (ad esempio l’energia Termochimica, e-cc).

Bilanci energetici:

Il calore è quell’energia che pareggia i bilanci energetici, che avvengono alla fine di un processo fisico.

Esempio:

Se consideriamo il grafico che rappresenta l’andamento dell’energia elastica, notiamo che la fase di ritorno della forza ha un’area inferiore a quella di andata; questo viene chiamato fenomeno di ISTERESI e ci indica che questa energia di scarto (ENERGIA DISSIPATA) tra andata e ritorno non si è dispersa, ma trasformata in calore.

Sistema fisico:

Un confine a questo bilancio è il SISTEMA FISICO, inteso come un elemento dotato di un confine o una pelle che unito all’ambiente formerà l’universo.

Questo sistema è diviso in due parti: sistema chiuso e sistema aperto.

Schema:

SISTEMA + AMBIENTE = UNIVERSO


1). SISTEMA CHIUSO     2). SISTEMA APERTO


1) Sistema chiuso

Che cos’è?

È un sistema in cui la massa rimane sempre la stessa e anche le molecole d’aria.

Il prima e il dopo:

prima parlavamo di bilancio energetico; ora questo si trasforma in BILANCIO DELL’ENERGIA TRA DUE STATI: il PRIMA e il DOPO che devono essere fisicamente ben definiti. Tutte le varie grandezze creano diverse situazioni nel nostro sistema, così possiamo definire uno stato fisico uniforme in modo da avere equilibrio in cui i descrittori formali (temperatura, pressione, ecc…) siano costanti ovunque.

Eccezione:

L’unica eccezione a questo sistema di equilibrio sarà data dal cambiamento di fase (ad esempio dallo stato solido a quello liquido).

Coordinate termodinamiche:

Gli stati fisici vengono rappresentati con due coordinate termodinamiche identificate come PRESSIONE e VOLUME SPECIFICO.

Legge di GIBBS:

Per tali sistemi chiusi esiste una relazione che viene espressa nella LEGGE DI GIBBS

V = C-F+2

dove C rappresenta il numero di componenti del sistema e F rappresenta il numero delle fasi presenti.

Esempio:

Consideriamo un metro cubo d’aria sul quale esercitiamo un lavoro; il gas all’interno del cubo a causa della compressione da noi esercitata emanerà calore all’esterno attraverso le pareti del nostro sistema:

 Oval: S

Il lavoro sarà positivo se uscirà dal sistema e il calore sarà positivo se dall’esterno andrà all’interno del sistema e viceversa.

Equazione del primo  principio:

Facendo un bilancio energetico tra il prima e il dopo possiamo dire che questa è un’EQUAZIONE DEL PRIMO PRINCIPIO o PRIMO PRINCIPIO DEI SISTEMI CHIUSI:

Ef – Ei = Q L

      

                                                  

                     Energia finale       Energia iniziale

Energia complessiva:

Ma da cosa è composta l’energia complessiva di un data operazione fisica?

E’ data dalla somma di una serie di energie (ad esempio l’Energia Cinetica, l’Energia elastica e così via).

E= Ec+Ep+Eel+..+En


Energia interna:

Ci sono casi in cui il bilancio non torna, ad esempio se mettiamo un tubo su una stufa accesa, questo si scalda e diventa incandescente, senza espellere nessun calore; entra quindi in gioco il concetto di ENERGIA INTERNA espressa in U, che è un tipo di energia nascosta definita per differenza nei bilanci energetici.

L’energia complessiva sarà quindi così espressa:

E=Ec+Ep+Eel+…+En+U

Quindi :

U2-U1 = Q-L

Quindi capiamo che l’energia interna si manifesta tramite la temperatura di un corpo.


Eccezione + esempio:

Esiste però un’eccezione:

Prendiamo un secchio pieno d’acqua con dentro una serie di cubetti di ghiaccio; poniamo alla base del secchio una fonte di calore con energia pari a 1000 J; la temperatura rimarrà a 0° perché in questo caso l’energia interna non è proporzionale ad essa.

Per spiegare questo fenomeno bisogna prendere in considerazione masse e temperature differenti dei due elementi:

Cosa del tutto differente si avrà nel caso di un secchio pieno d’acqua senza la presenza di ghiaccio.


Calore specifico:

È il rapporto tra la quantità di calore scambiata e l’incremento di temperatura.

                        C =    Q

 T

Il calore specifico può essere a pressione costante o a volume costante come ci dimostrano i seguenti grafici:

Il calore specifico dipende inoltre dalla natura della sostanza e anche dal tipo di trasformazione che deve subire

                                     C =   Q

                                       T.M

La quantità di calore può essere espressa come:

Q = M.Cp (T2-T1)


Tabella:

I valori di Cp e Cv sono espressi mediante la seguente tabella:



GAS
Cp   [Kj/(Kg.K)]
Cp   [Kj/(Kg.K)]

ARIA

1.0035

0.7165

ARGON

0.5203

0.3122

BUTANO

1.7164

1.5734

ANIDRIDE CARBONICA

0.8418

0.6529

MONOSSIDO DI CARBONIO

1.0413

0.7445

ETANO

1.7662

1.4897

ETILENE

1.5482

1.2518

ELIO

5.1926

3.1156

IDROGENO

14.2091

10.0849

METANO

2.2537

1.7354

NEON

1.0299

0.6179

AZOTO

1.0416

0.7448

OTTANO

1.7113

1.6385

OSSIGENO

0.9216

0.6618

PROPANO

1.6794

1.4909

VAPOR D’ACQUA

1.8723

1.4108

L’unità di misura è così espressa.

                               C =    Q   =    J

                                T.M   K.kg

Considerando l’esempio di prima il ghiaccio passa da 11°C a 0°C e tale passaggio lo esprimiamo così

Q1=M1.Cpg.(0°+11°)= 1,3 . 2100=30030J

ed esprimiamo così il passaggio di temperatura dell’acqua

Q2=M2.CpH20.(0°-l2°)= -2 . 4187 . 12 = - 100488J

La differenza di queste due quantità non è nulla e da ciò deduciamo che l’acqua ha a disposizione più energia rispetto al ghiaccio:

(30030+100488) = 70458J   (Calore che fa sciogliere il ghiaccio)


Calore latente si esprime in fusione (dallo stato liquido al solido e vaporizzazione (dallo stato liquido a gassoso).

I cambiamenti di stato nelle sostanze pure avvengono in condizioni definite di pressione temperatura, in particolare, fissate le condizioni di pressione, la temperatura di transizione è una caratteristica della sostanza in esame.

La quantità di calore richiesta per produrre  la transizione di fase per unità di massa di sostanza è detta Calore latente; vi sono quindi calori latenti di fusione, vaporizzazione e di sublimazione.


2) Sistema aperto

Che cos’è?

È un sistema dove la massa può entrare ed uscire tramite buchi.

Esempio:

Impianto a due entrate e di conseguenza dovrò considerare:

Nel sistema aperto devo quindi aggiungere all’energia interna di uscita e di entrata il corrispondente lavoro sviluppato nelle singole uscite e da cui ne ricaviamo la formula:

U2+P2V2-(U1+P1V1)=Q-L

Entalpia:

Uso quindi U+PV che fa le veci dell’energia interna di un sistema chiuso.

Da cui ricaviamo:

U+PV=H

dove H viene chiamata entalpia ed è l’energia intrappolata nel sistema aperto; l’entalpia è una funzione di stato di un sistema ed esprime la quantità di energia che esso può scambiare con l’ambiente.

Da cui la equazione conseguente:

H2-H1=Q-L





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