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Come superare l'esame di fisica

Lavoro in termodinamica

Abbiamo visto il lavoro nella parte dedicata alla meccanica, vediamo ora il lavoro in termodinamica. Se non ricordate i concetti fondamentali date uno sguardo qui.

Consideriamo un gas contenuto in un recipiente, ad esempio, a forma di parallelepipedo in cui una delle pareti è un pistone, ossia è mobile. Se scaldiamo il gas esso si espande e il pistone si muove verso l’esterno. Abbiamo così ottenuto un lavoro meccanico.

Otteniamo lavoro sfruttando il fatto che il gas ha grosse variazioni di volume (con i liquidi e i solidi non funziona).

 

Lavoro in termodinamica espansione del gasQuando il gas si espande il pistone si sposta di Δx.

Ricordiamo che il lavoro è il prodotto scalare tra la forza e lo spostamento, quindi, in questo caso essendo i due vettori paralleli si ha

                                       L = F Δx

 

 

La pressione è la forza sulla superficie

\displaystyle{\mathbf{p=\frac{F}{S}\,\Longrightarrow\, F=p\, S}}

Questa la sostituiamo nell’equazione del lavoro

\displaystyle{\mathbf{L=F\Delta x=p\, S\, \Delta x=p \Delta V}}

Dove ΔV = S Δx è l’aumento di volume

Il lavoro in termodinamica è espresso con L = p ΔV

Questo vale anche per quantità infinitesime

\displaystyle{\mathbf{dL=F\, dx=p\, S\, dx=p\, dV}}

Questo è il lavoro infinitesimo compiuto durante il percorso di espansione.

Sappiamo che il lavoro può essere positivo, negativo o nullo.

L = p ΔV > 0   si ha in caso di espansione del gas

L = p ΔV < 0   si ha se all’esterno c’è una pressione più alta che tende a comprimere il gas, in questo  caso ΔV < 0, oppure se il gas si raffredda (sempre ΔV < 0). Comunque quando si ha una contrazione di volume.

L > 0   per espansioni

L < 0 per compressioni

Nel caso di espansione libera, senza il pistone, il gas sfugge in tutte le direzioni, non c’è lavoro utile e questo caso non è di nostro interesse.

Vediamo graficamente quanto detto fino ad ora.

Partiamo da un gas che si trova a pressione p1 , volume V1 e lo facciamo espandere riscaldandolo a pressione costante.

 

Lavoro in termodinamica espansione isobara

Il punto 1 è il punto iniziale dove il gas ha pressione p1 , volume V1 e temperatura T1 .

Se facciamo espandere il gas a pressione costante otteniamo la trasformazione isobara che porta il gas fino al punto 2 lungo la linea 1-2.

 

 

Nel punto 2 il gas ha volume V2 . L’area A rappresenta il lavoro che otteniamo durante l’espansione del gas. A = p ΔV.

Facciamo ora il percorso inverso, ossia partiamo dal punto 2 e andiamo verso il punto 1.

 

Lavoro in termodinamica trasformazione inversa

 

Andando dal punto 2 al punto 1 il lavoro non è fatto dal gas, siamo noi che lavoriamo contro il gas. L’area A non è lavoro utile in questo caso.

                        ΔV < 0 perchè V1 – V2 < 0  e risulta L < 0

 

Ne deduciamo che il lavoro dipende dal percorso seguito.

Per vedere meglio questo concetto operiamo due trasformazioni, prima un’isobara e poi un’isocora, dopo operiamo le trasformazioni in ordine inverso, prima l’isocora e poi l’isobara.

 

Lavoro in termodinamica isobara-isocora

 

Il lavoro risulta L = p ΔV = p1 ( V2 – V1 )

Durante l’isocora non c’è lavoro perchè il volume rimane costante.

 

Ora invertiamo, facciamo prima l’isocora poi l’isobara

 

Lavoro in termodinamica Isocora isobara

Come prima, durante l’isocora non c’è lavoro. Il lavoro totale risulta

L = p ΔV = p2 ( V2 – V1 )

 

 

 

I due lavori risultano diversi. Il lavoro dipende dal percorso seguito.

 

Nalla prossima lezione approfondiremo lo studio dei cicli termodinamici.

 

Prossima lezione Cicli termodinamici