500561 - TERMODINAMICA

Sistemi fisici di interesse: fasi gassose, liquide e solide della materia. Variabili macroscopiche per sistemi all'equilibrio e trasformazioni quasi-statiche. Gas perfetti: legge di Boyle e Mariotte, di Volta-Gay Lussac e di Avogadro, derivazione dell'equazione di stato caratteristica. Curve isoterme e concetto di equilibrio termico. Il principio zero della termodinamica e le scale termometriche. Limite di applicabilità dell'equazione di stato dei gas perfetti e concetti del modello fenomenologico di Van Der Waals. Dilatazione termica nei liquidi e nei solidi. Raggiungimento dell'equilibrio termico e definizione di calore e di calore specifico a volume costante per gas ideali monoatomici e biatomici. Estensione della trattazione al caso dei solidi: il calore specifico in unità di massa e la definizione di caloria. Dipendenza del calore scambiato dalla trasformazione considerata: il calore specifico dei gas a volume costante in contrapposizione a quello a pressione costante, la relazione di Mayer e il differenziale di calore come differenziale non esatto. Dipendenza del calore specifico dalla temperatura: il caso dei solidi (legge classica di Dulong-Petit in contrapposizione all'andamento del modello di Debye). Fenomenologia della quantità di calore fornita all'acqua alle temperature corrispondenti alle transizioni di fase solido-liquido e liquido-vapore: i calori latenti di fusione/solidificazione e di evaporazione/condensazione. Propagazione di calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Coefficiente di conduttività termica e relazione con la conduttività elettrica nei metalli: la relazione di Wiedemann-Franz. Gli esperimenti di Joule sul riscaldamento adiabatico dei fluidi tramite conversione di energia potenziale meccanica: formalizzazione del lavoro infinitesimo per un gas contenuto in un recipiente a parete mobile come differenziale non esatto. La funzione di stato energia interna e il primo principio della termodinamica per trasformazioni generiche. Lavoro e calore nell'espansione libera di un gas ideale. L'energia interna di un gas ideale come funzione di stato dipendente solo dalla temperatura. Trasformazioni isocore per un gas ideale: espressione della variazione di energia interna in termini del calore specifico a volume costante. Trasformazioni isobare per un gas ideale: derivazione formale della relazione di Mayer. Derivazione dell'equazione caratteristica che lega le variabili termodinamiche nelle trasformazioni adiabatiche. Le trasformazioni reversibili come trasformazioni quasi-statiche in assenza di attriti e dissipazioni. I cicli termodinamici reversibili come trasformazioni cicliche composte di sole trasformazioni reversibili. Interpretazione delle trasformazioni cicliche come elemento fondamentale costituente delle macchine termiche. Prototipo della trasformazione ciclica reversibile: il ciclo di Carnot, con scambio di calore del sistema fisico con due soli termostati. Calcolo dell'efficienza del ciclo di Carnot come frazione del calore assorbito convertito in lavoro ed espressione di tale quantità in termini delle sole temperature dei due termostati. Valore numerico di tale quantità e implicazioni per il calore non convertito e necessariamente scambiato con il termostato freddo. Enunciato di Kelvin-Planck del secondo principio della termodinamica. Teorema di Clausius per cicli reversibili. Idealizzazione della generica trasformazione reversibile come successione di trasformazioni infinitesime con alternanza di isoterme e adiabatiche. Implicazioni del teorema di Clausius: indipendenza dell'integrale di Clausius dal cammino di integrazione e conseguente definizione dell'entropia come nuova funzione di stato. Considerazioni sulla variazione di entropia per il sistema fisico e per l'ambiente durante una trasformazione reversibile: conservazione dell'entropia complessiva dell'universo termodinamico (sistema fisico e ambiente) considerato come sistema fisico isolato. La variazione di entropia per l'universo termodinamico: implicazioni sulla reversibilità e irreversibilità delle trasformazioni. Enunciato del secondo principio della termodinamica a partire dalla variazione di entropia dell'universo.