FISICA TECNICA

Generalità

Sistema: spazio, volume in cui è racchiusa una definita massa associata con un'energia (parte di cui si manifesta come massa).

Sistema Isolato: in cui le interazioni con l'ambiente circostante sono di fatto nulle.

Sistema Chiuso: impermeabile alla massa.

Sistema Aperto: con il contorno che permette il passaggio della massa.

Sistema Aperto a Massa Costante: aperto in cui la massa entrante e quella uscente si equilibrano tra loro.

Sistema in Equilibrio: abbandonato a se stesso non tende a modificare le sue condizioni nel tempo. E' possibile definire le condizioni macroscopiche del sistema.

Trasformazioni Reversibili: quelle non affette da attrito; possono essere ripetute in senso inverso lungo lo stesso percorso.

Trasformazioni Irreversibili: quelle affette da attrito.

Sistema Termodinamico: quello che contiene una sostanza omogenea ed isotropa della quale interessa considerare solo le trasformazioni che mettono in gioco CALORE e LAVORO MECCANICO.

Energia Termodinamica: a differenza delle altre forme di energia potenziale, ammette due diverse forme di energia scambiabili: calore e lavoro meccanico.  Essendo un' energia potenziale ha interesse definire solo le sue variazioni, non i suoi valori assoluti.

Lo Stato Termodinamico è descrivibile da .

Due variabili indipendenti tra loro sono sufficienti a definire lo Stato Termodinamico del sistema.

Il principio di Conservazione dell'energia

La variazione dell'energia contenuta dovrà essere pari all'energia scambiata in tutte le sue forme.

dove il pedice "c" indica l'energia contenuta nel sistema ed il pedice "s" indica l'energia scambiata in tutte le sue forme.

n.b. il differenziale delle energie scambiate è un differenziale non esatto che viene indicato con "d" anziché con "d", come si indicano i differenziali esatti.

Il primo principio della Termodinamica

Equazione di conservazione dell'energia per i sistemi termodinamici:

 dove Q ed L sono rispettivamente il Calore ed il Lavoro complessivamente scambiati.

Per convenzione si usa:  senza distinzione tra le forme di energia considerate.

Quando un sistema compie una serie ciclica di operazioni ritornando alle condizioni iniziali, la variazione di energia contenuta (DE_c) è nulla:

,

oppure:

.

Se voglio esplicitare la presenza dell'attrito devo tenere conto che, in una trasformazione irreversibile, parte del lavoro si converte in attrito:

e quindi:

"R" compare con il segno "-" perché il lavoro scambiato dal sistema (positivo se entrante) è maggiore di quello effettivamente ricevuto dal fluido proprio perché l'attrito ne degrada una parte in calore.

Si può anche considerare l'attrito come un calore entrante nel sistema, in aggiunta a quello effettivamente scambiato:

e quindi:

Il primo Principio per i Sistemi Chiusi

Nei sistemi chiusi si considera solo quell'energia che è capace di esplicitarsi sotto forma di calore o di lavoro senza trasferimento di massa ( sistema chiuso).

La sua espressione è:

 

dove U è detta Energia Interna ed è misurabile in joule ( J ).

Sebbene l'Energia Interna risulti essere somma di due energie che non ammettono potenziale, e un'energia contenuta ed ammette potenziale

Se sono definite le condizioni iniziale e finale del sistema, la variazione di Energia Interna risulterà costante al variare del percorso di trasformazione:

e quindi:

In forma differenziale:

e volendo esplicitare l'attrito:

.

Quando il sistema è Chiuso oppure Aperto a Massa Costante, si può prescindere dalla massa del sistema e riferirsi ai valori specifici, cioè riferiti alla massa:

Si ha così:

oppure:

Il primo Principio per i Sistemi Aperti

I sistemi aperti sono quelli che ricorrono più frequentemente, in particolare quelli a flusso continuo, caratterizzati da un flusso ininterrotto e costante di massa attraverso il sistema.

Un processo di tale tipo può essere studiato seguendo l'evoluzione temporale o di una Massa di Controllo o di un Volume di Controllo.

Esempio:

considero un sistema con un volume di controllo che rimane invariato nel tempo in forma e dimensione e fisso rispetto all'osservatore; abbia una sola sezione di ingresso del fluido ed una di scarico.

Questo è un sistema con Flusso Permanente o Stazionario in cui le condizioni termodinamiche del fluido rimangono costanti nel tempo in ogni punto, eventualmente variando solo nello spazio.

Passando dalla prima alla seconda condizione, la Massa di Controllo ha subito una contrazione di volume pari a dm₁v₁ , dove v₁ è il volume specifico del fluido, in conseguenza dello spostamento della massa dm₁ entrata nel Volume di Controllo.

Ciò è provocato dal campo di pressioni esterno agente sulla sezione W che dà luogo ad una forza p₁W , normale alla sezione; il punto di applicazione di tale forza di sposta di , introducendo nel Sistema Chiuso un'energia pari a p₁W dx = dm₁p₁v₁.

Tale energia, detta di Spostamento, può essere vista come corrispondente ad un lavoro che la massa che attraversa il V. di C. porta con sé.