TERMODINAMICA, PRIMO PRINCIPIO, SECONDO PRINCIPIO, MACCHINE TERMICHE, CICLO DI CARNOT

In questo corso vedremo insieme il primo principio della termodinamica, il secondo principio della termodinamica e le macchine termiche con il ciclo di Carnot.
Introdurremo dapprima il concetto di equilibrio termodinamico, analizzando gli aspetti meccanici termici e chimici di un Sistema.
Poi introdurremo il concetto di trasformazione reversibile.
Da qui ci sposteremo nel piano di Clapeyron dove nell’asse delle ascisse troviamo il volume e nell’asse delle ordinate troviamo la pressione. Comprenderemo come il prodotto del volume per la pressione è dimensionalmente pari ad un lavoro (Joule).
Introdurremo l’energia interna come funzione di stato. Vedremo la formulazione del primo principio della termodinamica per il quale Eint=Q-L . Vedremo bene il segno di ciascuna quantità sia Q sia L per non confondere ad esempio il lavoro compiuto dal gas o il lavoro compiuto sul gas, oppure il calore ceduto dal gas o il calore ceduto al gas. Se sbagliamo un segno ci “giochiamo” tutto l’esercizio. Vedremo che l’energia interna di un gas è una funzione di stato e dipende dal numero di gradi di libertà del gas che stiamo considerando. Il gas può essere monoatomico come ad esempio l’Elio, oppure biatomico come ad esempio l’ossigeno, oppure poliatomico come ad esempio l’ammoniaca. Vedremo delle applicazioni del primo principio a trasformazioni relativamente semplici. Impareremo la legge di Mayer che lega il calore specifico a pressione costante al calore specifico a volume costante. Vedremo insieme molti esercizi sul primo principio della termodinamica, dopo avere compreso che al termine di un ciclo di lavorazione la variazione di energia interna è nulla.
Proseguiremo il nostro studio poi con le machine termiche, che sostanzialmente sono dei sistemi che hanno lo scopo di produrre il maggior quantitative di lavoro possibile operando tra due temperature differenti, una alta Tmax e una bassa Tmin. (Thigh Tlow T1 e T2 a seconda delle notazioni del vostro libro di testo). Il lavoro compiuto da una macchina termica e’ uguale al calore assorbito meno il calore ceduto L=Qa-Qc
Si definisce rendimento  (lettera greca eta) di una macchina termica il rapporto tra il lavoro compiuto dalla macchina e il calore assorbito. Vedremo con dei semplici calcoli che il rendimento di una macchina termica è sempre minore di 1.
Dopo di questo passeremo alla definizione di entropia come funzione di stato e al secondo principio della termodinamica. Esso afferma che è impossibile realizzare una macchina termica che possa trasformare completamente in lavoro il calore assorbito da una sorgente.
Da qui passeremo al ciclo di Carnot formato da due adiabatiche e da due isoterme e ne studieremo ogni aspetto saliente. Scopriremo che la macchina di Carnot è quella che ha un rendimento maggiore di qualunque altra macchina che opera tra le medesime due temperature. Studieremo poi le machine frigorifere e il loro fattore di qualità.
Vedremo poi l’equivalenza degli enunciati di Clausius e di Kelvin del secondo principio della termodinamica e comprenderemo che il secondo principio NON è di natura deterministica bensì di natura probabilistica. Vedremo infine la disuguaglianza di Clausius relativa all’entropia che vale sia per cicli reversibili che per cicli irreversibili.