81783 - FENOMENI TERMICI (A-L)

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

1. Introduzione
   1. Dai sistemi di pochi punti materiali ai sistemi macroscopici
   2. Il limite termodinamico
   3. Sistemi termodinamici e coordinate termodinamiche; sistemi idrostatici
   4. Equilibrio termodinamico e trasformazioni termodinamiche
   5. La pressione nei fluidi in equilibrio
2. Il principio zero e la temperatura
   1. Il principio zero
   2. Concetto di temperatura
   3. Misura della temperatura
   4. Il termometro a gas perfetto
   5. Trasformazioni termodinamiche, termostati
3. Sistemi termodinamici
   1. Gas perfetti
   2. Gas reali
   3. Diagrammi di fase per sostanze pure
   4. Cambiamenti di stato differenziali
      1. Premesse matematiche
      2. Sistemi idrostatici: dilatazione termica e compressibilità
   5. Filo in tensione
   6. Superfici
   7. Sostanze paramagnetiche
   8. Coordinate estensive ed intensive
   9. Lavoro termodinamico
4. Teoria Cinetica dei gas
   1. Interpretazione microscopica della temperatura
   2. Equipartizione dell’energia
   3. Distribuzione delle velocità molecolari
   4. Cammino libero medio
5. Il primo principio e il calore
   1. Lavoro adiabatico
   2. Calore e primo principio
      1. L’esperimento di Joule
   3. Capacità termica
   4. Calori molari per sistemi idrostatici, entalpia.
   5. Calore latente
   6. Calorimetria
      1. Calorimetro delle mescolanze
      2. Calorimetro di Bunsen
   7. Energia interna di un gas perfetto e di un gas reale
   8. Trasformazioni adiabatiche dei gas
   9. Calori molari di solidi e molecole

6. Trasmissione del calore
   1. Conduzione
   2. Convezione
   3. Irraggiamento
7. Il secondo principio e l’entropia
   1. La “freccia del tempo”
   2. Macchine termiche e conversione del calore in lavoro; enunciato di Kelvin - Planck
   3. Macchine frigorifere ed enunciato di Clausius
   4. Equivalenza dei due enunciati del secondo principio
   5. Ciclo e Teorema di Carnot
      1. Ciclo di Carnot per sostanze paramagnetiche
   6. Temperatura termodinamica assoluta
   7. Efficienza delle macchine termiche e frigorifere; macchine reali
   8. Esempi di macchine termiche
      1. Eliopila di Erone d’Alesandria (primo secolo)
      2. Macchina a vapore di Thomas Newcomen (1664 – 1729)
      3. Macchina a vapore di James Watt (1736 – 1819)
      4. Macchina ad aria di Robert Stirling (1790 – 1878) e ciclo di Stirling
      5. Motore a scoppio a quattro tempi - ciclo Otto (Nikolaus Otto, 1832 – 1891)
      6. Motore Diesel (Rudolf Christian Karl Diesel, 1858 – 1913)
   9. Teorema di Clausius e funzione di stato entropia
   10. Entropia in casi selezionati e notevoli.
       1. Espansione libera adiabatica di un gas perfetto; paradosso di Gibbs.
       2. Scambi di calore.
       3. Entropia di un gas perfetto
       4. Entropia di un gas reale
       5. Entropia degli stati condensati incomprimibili
       6. Entropia nei passaggi di stato
   11. Traccia di una trasformazione termodinamica. Aumento dell’entropia dell’universo; degradazione dell’energia
   12. Relazione fondamentale della termodinamica e piano .
8. Potenziali termodinamici
   1. Introduzione
   2. Energia interna
   3. Entalpia
      1. Espansione strozzata
   4. Energia libera di Helmholtz
   5. Energia libera di Gibbs
      1. Equazione di Clausius – Clapeyron
   6. Sistemi aperti e potenziale chimico
   7. Riassunto sui potenziali e sulle equazioni di Maxwell
   8. Equazioni del TdS
   9. Equazioni dell’energia interna
   10. Relazione generale

   1. Condizioni per l’Equilibrio Termodinamico
   2. Regola delle fasi di Gibbs
9. Il terzo principio della termodinamica
   1. Introduzione: il valore assoluto dell’entropia
   2. Formulazioni di Nernst e Planck.
   3. Conseguenze del terzo principio: fisica delle basse temperature
      1. Capacità termica
      2. Coefficiente di dilatazione termica
      3. Gas a bassa temperatura
      4. Legge di Curie per Sostanze Paramagnetiche
      5. Transizioni di fase del primo ordine
10. Cenni di meccanica statistica
    1. Macrostati e microstati
       1. Limite della distribuzione dei microstati per
       2. Gas perfetto: conteggio dei microstati nel sottospazio delle coordinate
    2. Entropia in meccanica statistica

Testi/Bibliografia

Testo base:

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

Complementi:

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.

Complementi (in inglese)

Andrew Rex, Finn’s Thermal Physics, 3^rd edition, CRC press, 2017.

M.W. Zemansky and R.H. Dittman, Heat and Thermodynamics - An intermediate Textbook, 7th edition, McGraw-Hill, 1997.

Libri più avanzati (in inglese)

Stephen Blundell and Katherine Blundell, Concepts in Thermal Physics, 2^nd edition, Oxford Univ Press, 2009.

Daniel Schroeder, An introduction to Thermal Physics, Oxford Univ Press, 2021.

Ralph Baierlein, Thermal Physics, Cambridge Univ Press, 2010.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Strumenti a supporto della didattica

- Note del corso in Virtuale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Federico Boscherini

Consulta il sito web di Margherita Marsili