Termodinamica degli stati - superfici e piani caratteristici
by user
Comments
Transcript
Termodinamica degli stati - superfici e piani caratteristici
Lezione n.4 (Modulo di Fisica Tecnica) Termodinamica degli stati: superficie caratteristica e piani termodinamici Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Indice Stati della materia Regola delle fasi e postulato di stato Superficie caratteristica Diagramma T-v Diagramma p-T Diagramma p-v Coefficienti di espansione e comprimibilità Calori specifici Diagramma T-s Diagramma h-s Diagramma p-h Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Stati della materia Una sostanza pura è una sostanza la cui composizione chimica non varia. Ossigeno Acqua Aria Una sostanza pura non deve necessariamente essere composta da un unico elemento chimico. O2 Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Fasi La fase è l’insieme delle parti omogenee del sistema aventi lo stesso stato intensivo. Una sostanza pura può trovarsi in diverse fasi. solida liquida aeriforme Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Passaggi di fase AERIFORME SOLIDA Fusione Solidificazione LIQUIDA Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Regola delle fasi di Gibbs V=3-F F= numero di fasi presenti ( solido,liquido,aeriforme) V= varianza, numero di proprietà che si possono variare senza che cambi F 1 Fase SISTEMA 2 Fasi 3 Fasi Bivariante Monovariante Invariante Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Si consideri un sistema pistone-cilindro contenente una sostanza pura, al quale viene somministrato calore a pressione costante (trasformazione isobara) Trasformazione internamente reversibile Il sistema è inizialmente nello stato A (fase solida) TB>TA T p = cost. vB>vA TB temperatura di liquefazione Calore B A v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Raggiunto lo stato B la sostanza in fase solida comincia a liquefarsi. Nello stato C sono presenti la fase liquida e la fase solida. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase liquida e diminuisce quella in fase solida. La trasformazione termina quando l’ultimo cristallo di liquefa. Il processo è isotermo T p = cost. C D B Calore A v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Raggiunto lo stato D la sostanza in fase liquida subisce un aumento di temperatura fino al punto E. Inoltre è possibile osservare un leggero incremento del volume (ciò non è vero nell’intervallo 0-4°C per l’acqua) T p = cost. E D B Calore A v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Raggiunto lo stato E la sostanza in fase liquida comincia ad evaporare. Sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina quando l’ultimo goccia di acqua evapora. Il processo è isotermo T p = cost. F E D B Calore A v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Raggiunto lo stato E la sostanza è in procinto di evaporare Nello stato F sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina quando l’ultimo goccia di liquido evapora. T G E p = cost. F D B Calore A v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Riassumendo p = cost. T Vapore Liquido + vapore Liquido Solido + liquido Solido v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Temperatura e pressione critica T Tc Vapore saturo Vapore saturo secco Liquido saturo vc v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Riassumendo T Vapore Liquido Vapore saturo Vapore saturo Liquido saturo Solido secco Liquido e solido v Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati liquido liquido-gas solido vapore surriscaldato p solidoliquido T v solido-gas Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati p T v p p v T Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma p-T Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma p-v area sottesa (lrev) elevata pendenza curva limite inferiore Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Equazioni di Gibbs (temperatura e pressione termodinamica) equazione fondamentale della termodinamica s s (u , v) u u ( s, v ) differenziando: u u du ds dv s v v s u u e ponendo: T ; p s v v s Otteniamo la Ia equazione di Gibbs: du p du Tds pdv ds dv T T ricordando inoltre che: h u pv è possibile ottenere la IIa equazione di Gibbs: dh v dh Tds vdp ds dp T T Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Coefficiente di espansione isobaro 1 v ln v v T p T p v vT , assumendo costante T oppure ln(v / v0 ) dT T0 Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Coefficiente di compressibilità isotermo ln v 1 v T v p T p T v T vp, assumendo T costante p oppure ln(v / v0 ) T dp p0 Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Tabella di e T Sostanza T / 10-6 bar Benzene 12.4 92.1 Diamante 0.030 0.187 Piombo 0.861 2.21 2.1 49.6 Acqua Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Calori specifici cp e cv qrev p h s cp T dT T p T p qrev v u s cv T dT T v T v TV cP cV T 2 gas ideali: c p cV R Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Tabella calori specifici medi Sostanza Aria (0-100°C) Acqua (liquida) Sughero Oro (solido) cpkJ /kg K cvkJ /kg K 1.01 0.717 --- 4.18 --- 2,1 --- 0,13 Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma h-s punto critico isotermobarica andamento lineare isobare (nella zona vapore) andamento asintotico orizzontale isoterme (gas) Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma di Mollier (acqua) Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma T-s area sottesa (qrev) pendenza isocore e isobare Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma T-s (acqua) Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma p-h Modulo di Fisica Tecnica Lezione 4 – Termodinamica degli stati Diagramma p-h R-134