Il secondo principio della Termodinamica

A.S. 2011/12 Classe V A

Liceo Classico “Parzanese”Ariano Irpino (AV)

Entropia: il modo che ha l'universodi dirci che siamo liberamente travoltidalla sua ironia.

Il I principio della termodinamica stabilisce il principio di conservazione dell’energia (le trasformazioni possibili non hanno limiti)

Il II principio spiega perché certe trasformazioni avvengono in una sola direzione

Introduzione

Difficile osservare un uovo

ricomporsi dopo che si è rotto

tutti i processi che avvengono in natura procedono in un solo senso. Mai, di loro spontanea volontà, procedono in senso inverso.

Esempio 1: Lasciamo cadere un sasso. Finisce per terra. Di sua iniziativa, non si è mai visto un sasso che si sollevi da terra per finirci in mano.Esempio 2: Se dimenticate il caffè sul tavolo, si raffredda. Da solo, non si è mai visto un caffè che si scaldi.Esempio 3: Immettiamo una goccia d’inchiostro in una scodella d’acqua. Dopo un po’ l’inchiostro si ritrova distribuito uniformemente in tutta la scodella. Mai viste delle molecole d’inchiostro che, spontaneamente, si radunino a formare una sferetta d’inchiostro nell’acqua!

Esempi

… in pratica

Espansione libera di un gas

Cassa che scivola su

una superficie con attrito

Si tratta di processi irreversibili (avvengono spontaneamente in una sola direzione)

Non si torna indietro…

Definiamo questi processi a senso unico come irreversibili, un termine che significa: una volta avviato un processo(irreversibile), esso continua a procedere.

Più precisamente, si vuol dire che è impossibile, con piccole modifiche dell’ambiente in cui si svolge, far sì che il processo cambi verso. Sostanzialmente, tutti i processi che avvengono in natura sono irreversibili.

EntropiaNon è l’energia del sistema che controlla il senso dei processi irreversibili; è un’altra proprietà : l’entropia (simbolo S) del sistema.

Principio di entropia: quando in un sistema chiuso avviene un processo irreversibile, l’entropia del sistema aumenta sempre; non diminuisce mai.

L’entropia si differenzia dall’energia anche perché non obbedisce ad alcun principio di conservazione. Qualunque sia lavariazione che avviene all’interno di un sistema, la sua energia rimane costante, mentre la sua entropia aumenta inesorabilmente non appena vi si svolgano processi irreversibili.

Come possiamo esprimere l’entropia in termini macroscopici?

Le molecole di un sistema ad alta T sono molto ‘disordinate’, sia nella loro posizione sia in termini degli stati energetici occupati (traslazionali, vibrazionali, rotazionali)

Le molecole di un corpo a bassa T (ad esempio un solido) sono molto piu’ ‘ordinate’, sia nella posizione sia negli stati energetici permessi.

Un sistema a bassa T ha meno stati energetici e posizioni permesse di un sistema ad alta T

Entropia Macroscopica

Consideriamo ora l’effetto di un trasferimento reversibile infinitesimo di calore ad un corpo.

Dal punto di vista dell’ordine molecolare e della redistribuzione energetica interna, fornire una quantità dqrev al sistema ha un effetto maggiore se la temperatura è bassa.

Se il sistema è già ad alte temperature, avrà già una grande redistribuzione interna dell’energia, e fornire dqrev al sistema ha meno effetto.

Entropia Macroscopica

Entropia crescente

Solido Cristallino Liquido Gas

S > 0

S < 0

S(solido) < S(liquido) < S(Gas)

S > 0

S < 0

S(T)

Entropia e Passaggi di Fase

Le macchine termiche

Una macchina termica opera tra due temperature diverse e trasforma parte del calore in lavoro. Il fluido interno compie un ciclo

Macchine Termiche

SerbatoiSerbatoio Caldoo Caldo

SerbatoiSerbatoio Freddoo Freddo

FluidFluidoo

IsolanteIsolante

Motore

Macchina termica

Il rendimento

Esempi

Il II principio (Kelvin- Plank)

In Sostanza…..

La macchina di Carnot

11

22

qqHHTTHH= = costantecostante

3344 qqLL

TTLL= = costantecostante

VV

pp

Ciclo di Carnot

1-2 : Isoterma1-2 : Isoterma

2-3 : Adiabatica2-3 : Adiabatica

3-4 : Isoterma3-4 : Isoterma

4-1 : Adiabatica4-1 : Adiabatica

Lavoro EstrattoLavoro Estratto

La macchina di Carnot

Quattro Tempi

12: adiabatica lenta 23: isocora veloce 34: adiabatica lenta 41: isocora veloce

Il Ciclo di Otto

Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal carburatorecarburatore

Motore a ciclo di Otto

Motore a ciclo di OttoMotore a ciclo di Otto

Passo 2: Compressione della miscelaPasso 2: Compressione della miscela

Motore a ciclo di OttoMotore a ciclo di Otto

Passo 3: Accensione ed espansione della miscelaPasso 3: Accensione ed espansione della miscela

Motore a ciclo di OttoMotore a ciclo di Otto

Passo 4: Scarico dei GasPasso 4: Scarico dei Gas

La macchina frigorifera

Il COP

II principio delle Termodinamica

(Clausius)

Torniamo all’Entropia

…ancora Entropia

Calcolare il S quando Argon a 25 °C, 1 atm e 500 cm3 viene espanso a 1000 cm3 e 100 °C

Esercizio

VV

TT

SS è una funzione di è una funzione di stato, quindi posso stato, quindi posso usare il cammino usare il cammino mi è più comodo.mi è più comodo.

Soluzione Per il cammino prescelto,

S = S1+ S2 (isoterma + isocora)

S1: (500 cm3, 25 °C), (1000 cm3, 25 °C)

S2: (1000 cm3, 25 °C), (1000 cm3, 100 °C)

S1 = nR ln(Vf/Vi)

Vf = 1000 cm3

Vi = 500 cm3

n = pV/RT = 0.0204 moli

VV

TT

SS11

SS22

SS11 = 0.118 JK = 0.118 JK-1-1

SoluzioneS2 = n CV,m ln(Tf/Ti)

Tf = 373.15 K

Ti = 298.15 K

n = 0.0204 moli

CV,m = 12.48 JK-1 mol-1

VV

TT

SS11

SS22

SS22 = 0.057 JK = 0.057 JK-1-1

S = S = SS11 + + SS22 = = 0.175 0.175

JKJK-1-1