La termodinamica è uno degli argomenti di fisica più trattati nei test di ingegneria. Per risolvere gli esercizi proposti, non è necessaria una conoscenza approfondita della materia, ma una revisione dei concetti principali.
La termodinamica studia gli scambi di energia, tra il sistema e l’ambiente, che si verificano durante una trasformazione (fisica o chimica), allo scopo di individuare le condizioni di equilibrio o di spontanea evoluzione del sistema stesso.
Nella seguente guida tratteremo i principali temi richiesti nella prova: temperatura e calore e le loro dimensioni, calore specifico e calore latente, le equazioni di stato e le trasformazioni termodinamiche, principi della termodinamica e rendimento di una macchina termica.
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La temperatura e calore
La temperatura è la grandezza fisica che fornisce la capacità del corpo di scambiare calore con altri corpi e permette di individuare l’equilibrio termico.
La temperatura può essere espressa in Kelvin, indicato con K e misura del sistema internazionale (quindi con cui bisognerà impostare TUTTE LE FORMULE), in Celsius (temperatura normalmente usata in Italia, anche detti gradi centigradi) e in Fahrenheit.
Tutte le temperature fornite in una misura diversa da quella Kelvin dovranno essere trasformate in Kelvin. In particolare ricordiamo che TKelvin=TCelsius + 273,15. Ossia che 0 gradi Celsius corrispondono a 273,15 gradi Kelvin.
Il calore è definito come il trasferimento di energia tra due sistemi (vedi corpi). Il calore si muove generalmente da un corpo a temperatura superiore verso un corpo a temperatura inferiore. Si dirà che il corpo a temperatura superiore perde calore, mentre il corpo a temperatura inferiore riceve calore. Essendo una misura di energia, il calore si misura in Joule (J), misura del sistema internazionale e per cui tutte le formule devono essere impostate, o in Calorie (Cal).
Per passare da Joule a Caloria si ricordi che 1 Cal = 4,184 J.
Calore specifico e calore latente
Il calore specifico cs è il calore da trasferire a 1 kg di una sostanza per ottenere la variazione di temperatura di 1 K (ossia 1 grado Kelvin). Il calore specifico si misura in J / kg K.
Il calore latente (di fusione) cl è il calore necessario per ottenere la fusione di 1 kg di sostanza. Si misura in J / kg .
Un’importantissima distinzione tra calore specifico e calore latente è che quando non avvengono cambiamenti di fase (da solido a liquido o da liquido a gassoso e viceversa) bisogna considerare il calore specifico, mentre per i cambiamenti di fase bisogna considerare il calore latente. Quando vi è un passaggio di stato, bisogna considerare che a differenza di assenza di cambio di stato, il calore serve per cambiare lo stato della materia senza cambiarne la temperatura.
Facciamo un esempio, per far passare un cubetto di ghiaccio da solido a liquido (quindi ad acqua) bisogna fornire un certo quantitativo di calore. Da quando il cubetto inizia a sciogliere a quando il cubetto è completamente sciolto, la sua temperatura non sarà cambiata ma sarà sempre 0 gradi centigradi (273,15 gradi Kelvin), ma avremo dovuto dare calore al cubetto per farlo sciogliere.
Scambio di calore
Quando non avvengono cambiamenti di fase (fusione, solidificazione, liquefazione..) la quantità di calore Q che un corpo deve acquistare o cedere per variare la sua temperatura di una quantità T=Tfinale – Tiniziale (in Kelvin) è proporzionale al salto di temperatura e alla massa m del corpo, secondo la relazione: Q=cs m ΔT, dove Q è il calore in J, cs è il calore specifico, m la massa in kg.
Il calore Q da fornire a una quantità m di massa per farla cambiare di stato è pari a: Q=cl m.
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