01057 - TERMODINAMICA (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

1.1. Dai sistemi di pochi punti materiali ai sistemi macroscopici

1.2. L’approccio coarse-grain alla descrizione dei sistemi termodinamici

1.3. Relazione fra approccio macroscopico e microscopico

1.4. Variabili intensive ed estensive

2. Principio zero della termodinamica e temperatura

2.1. Equilibrio termico e principio zero

2.2. La temperatura

2.3. Misura della temperatura

2.4. Il termometro a gas perfetto

2.5. La moderna definizione dell’unità di misura della temperatura

3. Sistemi termodinamici

3.1. Equilibrio termodinamico

3.2. Equazione di stato

3.3. Diagrammi P-V e P-T di un sistema puro eterogeneo

3.4. Cambiamenti di stato differenziali

4. Lavoro in termodinamica

4.1. Lavoro in un sistema idrostatico

4.2. Lavoro in sistemi termodinamici composti

5. Il calore e il primo principio della termodinamica

5.1. Lavoro adiabatico

5.2. Il concetto di calore

5.3. Capacità termica

5.4. Capacità termiche di un sistema idrostatico

5.5. Energia interna e capacità termiche dei gas ideali

5.6. Trasformazioni adiabatiche quasi-statiche dei gas ideali

5.7. Trasformazioni politropiche dei gas ideali

6. Meccanica statistica e teoria cinetica dei gas ideali

6.1. Stati macroscopici e microscopici: probabilità

6.2. Concetto di ensemble di Gibbs

6.3. Ensemble microcanonico

6.4. Ensemble canonico

6.5. Teorema di equipartizione dell’energia

6.6. Teoria cinetica dei gas ideali – densità di probabilità delle velocità molecolari

6.7. Derivazione dell’equazione di stato dei gas ideali

6.8. Effusione molecolare

6.9. Tempo di collisione e libero cammino medio

6.10. Conducibilità termica

7. Secondo principio della termodinamica

7.1. Conversione di lavoro in calore

7.2. Enunciato di Kelvin-Planck

7.3. Enunciato di Clausius

7.4. Macchina termica

7.5. Il frigorifero

7.6. Equivalenza degli enunciati di Kelvin-Planck e Clausius

7.7. La macchina di Carnot

7.8. Teorema di Carnot

7.9. Scala di temperatura assoluta

7.10. Teorema di Clausius

7.11. Entropia: funzione di stato

7.12. Combinazione di primo e secondo principio

7.13. Interpretazione statistica dell’entropia

7.14. Variazione di entropia nei gas ideali

7.15. Irreversibilità nelle trasformazioni termodinamiche

7.16. Principio di degradazione dell’energia

7.17. Macchine termiche

7.18. Entropia e informazione

7.19. Paradosso di Gibbs e indistinguibilità

8. Sostanze pure

8.1. Potenziali termodinamici

8.2. Energia interna

8.3. Entalpia

8.4. Energia libera di Helmoltz

8.5. Energia libera di Gibbs

8.6. Le equazioni del TdS

8.7. Equazioni dell’energia

8.8. Equazioni per le capacità termiche

9. Transizioni di fase

9.1. Energia libera di Gibbs e diagrammi di fase

9.2. Equazione di Clausius-Clapeyron

9.3. Transizioni di fase del primo ordine e continue

9.4. Rottura spontanea di simmetria

10. Liquefazione dei gas

10.1. Effetto Joule Kelvin

10.2. Il coefficiente di Joule-Kelvin

10.3. Tecnologia di liquefazione dei gas

11. Terzo principio della termodinamica

11.1. Entropia assoluta in meccanica statistica

11.2. Enunciati del terzo principio

11.3. Implicazioni del terzo principio

12. Sistemi eterogenei

12.1. Il potenziale chimico in sistemi puri eterogenei

12.2. Condizioni di equilibrio termodinamico in un sistema puro eterogeneo

12.3. Il potenziale chimico in sistemi eterogenei a molti componenti

12.4. La miscela di gas ideali inerti

12.5. Condizioni di equilibrio termodinamico in un sistema eterogeneo a molti componenti

12.6. Regola delle fasi di Gibbs

12.7. Il potenziale chimico dei gasi ideali

Testi/Bibliografia

Testi base:

L. Pasquini, Termodinamica (dispense dell'insegnamento disponibili su Virtuale)

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

Complementi:

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

Richard P. Feynman, The Feynman Lectures on Physics, https://www.feynmanlectures.caltech.edu/ Vol- I

Eserciziari:

Per la preparazione dell'esame è sufficiente il materiale disponibile su Virtuale:

-) Esercizi svolti durante il modulo 2

-) Testi dei compiti degli anni precedenti, con soluzioni

Ulteriori problemi utili possono essere trovati in vari eserciziari, ad esempio:

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

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

Nel modulo 1 verranno trattati tutti gli argomenti elencati alla sezione "Contenuti" mediante da lezioni frontali svolte alla lavagna con ausilio di slide. Nella maggior parte delle lezioni saranno inseriti momenti di partecipazione attiva mediante quiz (anonimi) interattivi. Inoltre, specifici argomenti verranno introdotti dalla proiezione di video scientifici di carattere divulgativo.

Il modulo 2 consisterà nella soluzione alla lavagna di problemi ed esercizi sui contenuti tratatti nel modulo 1.

 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Informazioni generali sull'esame:

• L'esame consiste in una prova scritta e 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 previsti appelli straordinari.
• Per poter sostenere le prove (scritte e orali) è necessario iscriversi attraverso AlmaEsami.
• In ciascuna prova scritta vi sono due esercizi. Per superare la prova bisogna realizzare almeno 18/30. 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. L'esame orale può essere sostenuto non necessariamente subito dopo lo scritto, anche se tale scelta è fortemente sconsigliata.
• 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. Si ricorda che, secondo il regolamento di ateneo, il rifiuto del voto deve essere accettato *almeno* una volta da parte del docente: dal secondo rifiuto è a discrezione del docente.
  

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

 -) Proiezione di diapositive per evidenziare i concetti principali e illustrare diagrammi e schemi non facilmente riproducibili alla lavagna

-) Wooclap per l'erogazione di quiz e discussione in modalità peer instruction

-) Proiezione di video da canali di divulgazione scientifica

-) Articoli di approfondimento su argomenti specifici

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini

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