81783 - FENOMENI TERMICI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede le conoscenze di base della termodinamica classica e della sua interpretazione microscopica anche attraverso la teoria cinetica dei gas e attraverso alcune nozioni elementari di meccanica statistica. E’ inoltre in grado di applicare i concetti generali e le leggi fondamentali alla soluzione di problemi riguardanti fenomeni termici prossimi all’equilibrio.

Contenuti

Sistemi termodinamici. Stato di un sistema termodinamico. Equilibrio termico. Principio zero della termodinamica. Temperatura empirica. Costruzione delle scale termometriche: scala Celsius e scala Kelvin. Termometro a gas perfetto. Stati della materia. Equazione di stato dei gas perfetti. Trasformazioni termodinamiche. Trasformazioni quasi-statiche. Sistemi termodinamici semplici. Piano di Clapeyron per sostanze pure. Diagramma di fase dell'acqua.

Lavoro termodinamico. Lavoro termodinamico per trasformazioni isobare, isocore ed isoterme nel caso dei gas perfetti. Lavoro adiabatico. Energia interna. Concetto di calore. Primo principio della termodinamica. Capacità termica. Capacità termica per un sistema idrostatico. Temperatura di equilibrio tra due sistemi. Serbatoio di calore. Calore latente. Calorimetri. Forme di trasmissione del calore: conduzione e convezione. Conduzione del calore per irraggiamento. Legge di Stefan-Boltzmann. Corpo nero. Applicazione al sistema Terra-Sole. Energia interna nei gas perfetti: esperienza di Joule. Relazione di Mayer. Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche. Lavoro in una trasformazione adiabatica.

Cenni di teoria cinetica dei gas. Costruzione del modello. Relazione tra temperatura ed energia cinetica molecolare. Distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità molecolari. Energia interna e capacità termica molare predette dal modello. Principio di equipartizione dell'energia. Capacità termiche molari per gas monoatomici e biatomici e per i solidi. Energia rotazionale e vibrazionale e gradi di libertà. Legge di Dalton. Gas reali.

Concetto di irreversibilità. Macchine termiche e macchine frigorifere. Rendimento e coefficiente di prestazione. Secondo principio della Termodinamica. Enunciato di Kelvin-Planck. Enunciato di Clausius. Equivalenza dei due enunciati. Ciclo di Carnot. Teorema di Carnot. Corollario del teorema di Carnot. Calcolo del rendimento per i gas perfetti. Temperatura termodinamica assoluta. Disuguaglianza di Clausius. Entropia. Entropia in un sistema isolato termicamente. Esempi di applicazione del principio di massima entropia: espansione libera, conduzione del calore, lavoro in presenza di attrito. Entropia e rendimento termodinamico. Entropia e degradazione dell'energia. Piano TS. Applicazione ai sistemi idrostatici e ai gas perfetti.

Potenziali termodinamici. Energie libere di Helmholtz e di Gibbs. Derivazione della Regola delle Fasi. Esempi di applicazione dei potenziali termodinamici in trasformazioni non-pV.

Cenni di termodinamica statistica classica. Concetto di macrostato e microstato. Sistemi isolati. Conteggio dei microstati. Funzione di partizione molecolare. Entropia di Boltzmann. Sistemi non isolati. Connessioni con la termodinamica classica: temperatura. Entropia e disordine. Entropia di Shannon e informazione. Freccia termodinamica e cosmologica.

Testi/Bibliografia

Testo base:

S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, M. Villa, "Fisica Generale - Meccanica e Termodinamica, seconda edizione", CEA.

Approfondimenti:

M. W. Zemansky,  Calore e Termodinamica", Zanichelli.

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, "Fisica Volume I, Meccanica-Termodinamica", Edizioni EdiSES.

C. Mencuccini, V. Silvestrini, "Fisica - Meccanica-Termodinamica", CEA.

E. Fermi, "Termodinamica", Boringhieri (lettura a posteriori)

Eserciziari:

M. Villa, A. Uguzzoni, M. Sioli, "Esercizi di fisica. Termodinamica, fluidi, onde e relatività. Come risolvere i problemi", Zanichelli, 2018.

 A. Bertin et al., "Problemi d'esame di Fisica Generale - Meccanica e Termodinamica", Edizioni Esculapio.

G. A. Salandin e P. Pavan, "Problemi di Fisica 1", CEA.

S. Longhi et al., "Esercizi di Fisica Generale: Meccanica Termodinamica Elettricità e Magnetismo", Edizioni Esculapio.

C. Mencuccini, V. Silvestrini, "Esercizi di Fisica – Meccanica-Termodinamica", CEA.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Informazioni generali sull'esame:

• L'esame consiste in una prova scritta ed una prova orale.
• Sono previsti sei appelli per anno accademico: tre nella sessione estiva, uno in quella autunnale e due in quella invernale. Non sono assolutamente previsti appelli straordinari.
• Per poter sostenere le prove (scritte e orali) è necessario iscriversi tramite AlmaEsami.
• In ciascuna prova scritta vi sono due esercizi. Per superare la prova bisogna realizzare almeno 16/30. Durante la prova, della durata di 2 ore, è concesso l'uso della calcolatrice ma non è possibile consultare né testi né appunti.
• Il risultato della prova scritta ha validità fino alla sessione invernale inclusa.
• Gli studenti possono ripetere uno scritto se vogliono migliorare il voto. Si tenga però presente che verranno annullati i voti precedenti: farà fede l'iscrizione in lista il giorno dello svolgimento della prova scritta.
• Il voto finale che si può raggiungere è indicativamente la media tra lo scritto e 31 (30 e lode).
• Se si viene respinti all'orale, o si rifiuta il voto, il mantenimento del voto dello scritto è a giudizio della commissione.

Strumenti a supporto della didattica

Per alcuni argomenti specifici (potenziali termodinamici e termodinamica statistica) verranno forniti appunti del docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maximiliano Sioli

Consulta il sito web di Luigi Guiducci