Svolgi sul quaderno i 24 esercizi seguenti sui principi della termodinamica. Per i problemi numerici riporta sempre dati, formula utilizzata, calcoli e unità di misura; ricorda che le temperature nelle formule termodinamiche vanno espresse in Kelvin. Buon lavoro!
- Il primo principio della termodinamica per un sistema chiuso si scrive correttamente come:
- A) ΔU = Q + W (con W lavoro fatto sul sistema)
- B) ΔU = Q − W (con W lavoro fatto dal sistema)
- C) Q = ΔU + ΔS
- D) ΔS = Q/T
- Il calore è una funzione di stato del sistema termodinamico.
- Vero / Falso
- Quale tra le seguenti grandezze NON è una variabile di stato per un gas?
- A) La pressione
- B) Il volume
- C) Il lavoro scambiato
- D) La temperatura
-
In una trasformazione isoterma di un gas ideale la variazione di energia interna ΔU vale ___ joule.
-
In una trasformazione adiabatica il sistema non scambia calore con l'ambiente, quindi Q = 0.
- Vero / Falso
- Il principio zero della termodinamica permette di definire in modo rigoroso:
- A) L'entropia
- B) Il lavoro
- C) La temperatura
- D) L'energia interna
-
Il rendimento massimo teorico di una macchina di Carnot fra le temperature T₁ e T₂ è η_max = 1 − ___.
-
Associa ciascuna trasformazione termodinamica alla sua caratteristica peculiare. | Colonna A | Colonna B | |---|---| | Isoterma | Volume costante, W = 0 | | Isocora | Pressione costante, W = pΔV | | Isobara | Nessuno scambio di calore, Q = 0 | | Adiabatica | Temperatura costante, ΔU = 0 |
-
Un gas ideale riceve dall'esterno una quantità di calore Q = 800 J e contemporaneamente compie sull'ambiente un lavoro L = 300 J espandendosi. Calcola la variazione di energia interna ΔU del gas.
-
Una macchina termica assorbe Q₁ = 1000 J dalla sorgente calda e produce L = 250 J di lavoro utile. Il suo rendimento vale:
- A) 0,75 ovvero 75%
- B) 0,25 ovvero 25%
- C) 0,40 ovvero 40%
- D) Non si può calcolare senza la temperatura
- Una macchina termica con rendimento pari al 100% è proibita dal secondo principio della termodinamica.
- Vero / Falso
-
Una macchina termica di Carnot opera fra due sorgenti alle temperature T₁ = 500 K e T₂ = 300 K. Calcola il rendimento massimo teorico e spiega perché una macchina reale che operasse fra le stesse temperature avrebbe sicuramente un rendimento inferiore.
-
Spiega con parole tue la differenza fra l'enunciato di Kelvin e quello di Clausius del secondo principio della termodinamica.
-
In una trasformazione reversibile la variazione di entropia di un sistema che scambia il calore Q alla temperatura assoluta T vale ΔS = ___.
-
Quale processo NON viola il secondo principio della termodinamica?
- A) Una tazza di tè freddo che si scalda spontaneamente prelevando calore dall'aria fredda
- B) Una pietra che cade trasformando tutta l'energia potenziale in calore della pietra e del suolo
- C) Un frigorifero che raffredda i cibi senza essere collegato alla presa elettrica
- D) Una macchina termica che converte in lavoro il 100% del calore prelevato dal mare
- Secondo il terzo principio della termodinamica, è impossibile raggiungere lo zero assoluto attraverso un numero finito di operazioni.
- Vero / Falso
-
Un gas ideale subisce una trasformazione isobara a pressione costante p = 2,0·10⁵ Pa, passando da un volume iniziale V₁ = 3,0·10⁻³ m³ a un volume finale V₂ = 8,0·10⁻³ m³. Durante l'espansione il gas assorbe Q = 1500 J di calore. Calcola il lavoro compiuto dal gas e la variazione di energia interna.
-
Descrivi il funzionamento di un frigorifero domestico spiegando dove avviene l'assorbimento di calore, dove avviene la cessione, qual è il ruolo del compressore e perché il dispositivo non viola il secondo principio della termodinamica.
-
Una pompa di calore preleva Q₂ = 600 J da una sorgente fredda e assorbe L = 200 J di lavoro elettrico. Quanto calore Q₁ cede alla sorgente calda?
- A) 400 J
- B) 600 J
- C) 800 J
- D) 1200 J
- L'entropia di un sistema isolato può diminuire se al suo interno avvengono trasformazioni reversibili.
- Vero / Falso
-
Associa ciascun principio della termodinamica alla sua affermazione fondamentale. | Colonna A | Colonna B | |---|---| | Principio zero | L'energia si conserva: ΔU = Q − W | | Primo principio | L'entropia dell'universo non diminuisce mai | | Secondo principio | Lo zero assoluto è irraggiungibile in un numero finito di passi | | Terzo principio | Permette di definire la temperatura grazie alla transitività dell'equilibrio termico |
-
Una mole di gas ideale monoatomico (per cui ΔU = (3/2)nRΔT) subisce una trasformazione isocora che ne aumenta la temperatura da T₁ = 300 K a T₂ = 450 K. Sapendo che R = 8,31 J/(mol·K), calcola la variazione di energia interna e il calore assorbito.
-
Spiega perché, dal punto di vista microscopico, l'entropia viene interpretata come misura del disordine di un sistema. Porta un esempio.
-
In una centrale termoelettrica la caldaia produce vapore a T₁ = 800 K mentre il condensatore lavora a T₂ = 320 K. La centrale assorbisce Q₁ = 5,0·10⁹ J di calore al secondo. Calcola: (a) il rendimento massimo teorico di Carnot; (b) la potenza meccanica massima teoricamente estraibile; (c) commenta perché il rendimento reale della centrale sarà inferiore.