Programma dell'insegnamento di
Termodinamica e Fluidodinamica (6 CFU) [172SM] (A.A. 2011/12)
Prof. Rinaldo Rui
SISTEMI TERMODINAMICI
Introduz. alla Termodinamica. Approccio statistico, TD
classica. Sistema TD ed ambiente. Sistemi aperti, chiusi,
isolati. Coordinate TD, intensive ed estensive. Stato TD.
Sistemi TD semplici e sistemi idrostatici. Regola delle fasi
di Gibbs. Equilibrio TD. Pareti adiabatiche e diatermiche.
Trasformazioni TD. Principio Zero della TD e temperatura.
Termometri. Scale Celsius e Kelvin.
Temperatura del termometro a gas perfetto. Dilatazione
termica. Trasformazioni TD, reversibili ed irreversibili.
Trasformazioni quasistatiche. Piano di Clapeyron.
Trasformazioni isocore, isobare, isoterme, adiabatiche,
cicliche. Termostati. Equazioni di stato.
Gas ideale o perfetto. Equazione di stato del gas perfetto.
Leggi di Avogadro (I e II), di Boyle, di Charles e di
Gay-Lussac. Gas reali: sviluppo del Viriale ed equazione di
Van der Waals. Lavoro TD. Lavoro di gas ideali in una
trasformazione isobara, isocora, isoterma e ciclica.
Metodo statistico. Teoria cinetica del gas perfetto. Teorema
di equipartizione dell’energia. Stati di aggregazione e punto
triplo. Temperatura critica, tensione di vapore. Isoterma
critica.
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Esperimenti di Joule. Sistemi adiabatici. Lavoro adiabatico
ed energia interna. Calore e caloria. Primo principio della
TD. Trasformazioni cicliche: macchine termiche e frigorifere.
Caloria. Entalpia.
Trasmissione del calore: conduzione, convezione,
irraggiamento. Legge di Fourier. Conducibilità termica.
Legge di Stefan-Boltzmann. Potere emissivo. Dewar.
Capacità termica. Calore specifico e calore molare.
Calore specifico molare per i sistemi idrostatici, a pressione
costante e a volume costante. Calore latente.
Proprietà dei gas ideali: 1) energia interna
(espansione di Joule-Thomson); 2) calori molari e relazione di
Mayer; 3) trasformazioni adiabatiche. 4) trasformazioni
politropiche. Aspetti microscopici. Legge di Doulong e Petit.
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Macchine termiche. Rendimento. Secondo principio della TD:
enunciati di Kelvin-Planck e Clausius. Macchine frigorifere.
Equivalenza dei due enunciati del II principio. Ciclo di
Carnot. Macchina di Carnot. Teorema di Carnot.
Temperatura TD assoluta. Osservazioni sul rendimento della
macchina di Carnot. Pompa di calore. Ciclo di Stirling. Ciclo
di Otto. Ciclo Diesel. Ciclo di Rankine.
Teorema di Clausius. Entropia. Principio di aumento
dell’entropia. Calcolo della variazione di entropia:
trasformazioni adiabatiche, scambi di calore con sorgenti [appunti esempi 3.9 e 3.12], scambi di
calore tra corpi, cambiamenti di fase.
Entropia e rendimento. Dimostrazione degli enunciati di
Kelvin-Planck e Clausius del Secondo principio della TD a
partire dal principio di aumento dell’entropia. Energia
inutilizzabile, effetto Carnot ed effetto Clausius. Entropia
dei sistemi idrostatici e piano S, T. Trasformazioni
adiabatiche irreversibili. Esempi di calcolo di variazione di
entropia: mescolamento di gas perfetti.
Potenziali TD. Energia libera ed entalpia libera. Equazioni
di Maxwell. Entropia e probabilità. Microstati e
macrostati. Relazione tra entropia e microstati. Terzo
principio della TD. Interdipendenza delle proprietà del
gas perfetto.
ELEMENTI DI
MECCANICA DEI FLUIDI
Densità assoluta e relativa.
Pressione. Sforzo di taglio. Fluidi ideali. Equazione della
statica dei fluidi. Legge di Stevino. Legge di Pascal.
Torchio idraulico. Pressione atmosferica e sua dipendenza
dalla quota. Legge di Archimede. Galleggiamento. Misura
della pressione: manometri e barometri.
Dinamica dei fluidi: descrizione
lagrangiana ed euleriana. Linee e tubi di flusso. Equazione
di continuità. Teorema di Bernoulli e sue
applicazioni: tubo Venturi, tubo di Pitot, bruciatore a gas.
Fluidi reali: moto laminare,
viscosità, legge di Poiseuille, numero di Reynolds,
velocità critica.