Questo corso tratta di Fisica Termica Ambientale
nel quale parleremo soprattutto di ciò che riguarda la termodinamica,
dal greco θερμη (thermē) → calore e δυναμις (dynamis) → potenza,
la scienza che si occupa delle interazioni di un sistema con tutto ciò che
si trova intorno a lui: l'ambiente in termini energetici.
Prima di addentrarci in questo studio
è necessario definire un linguaggio che terrà conto di alcune definizioni
utilizzate spesso per poter comprendere al meglio l'argomento.
La fisica termica ambientale,
in gran parte definita dalla termodinamica,
interessa un sistema
che interagisce con tutto ciò che si trova intorno a lui in termini energetici.
Il termine "energetici", ed il conseguente studio dell'energia,
è un discorso che approfondiremo maggiormente in seguito.
Tornando al sistema, esso è l'oggetto del nostro studio:
può trattarsi di una porzione di materia o di spazio
sul quale viene concentrata la nostra attenzione.
Tutto ciò che è esterno al sistema viene chiamato "ambiente".
Il sistema è definito e delimitato da delle superfici reali o vere,
chiamate superfici di controllo del sistema,
matematicamente prive di spessore e dunque di volume.
Parleremo di alcune famiglie di sistemi
quali i sistemi chiusi e i sistemi aperti
e, nell'ambito dell'uno o dell'altro, ci addentreremo nel discorso
in base alle loro interazioni energetiche con l'ambiente esterno.
La prima famiglia in analisi è quella dei sistemi chiusi,
mentre la seconda è quella dei sistemi aperti.
Entrambi i sistemi differiscono in modo sensibile gli uni dagli altri
per cui verranno trattati in modo diverso.
Il sistema chiuso è un sistema anche chiamato a massa costante.
Volendo fornire un esempio
di sistema chiuso, parleremo di sistema "pistoni-cilindro",
cioè di un cilindro sulla cui superficie è posto un pistone che può scorrere verticalmente verso l'alto o verso il basso.
Parlando di sistemi chiusi, stiamo parlando di sistemi che definiamo "a massa di controllo":
all'interno del sistema chiuso identificabile come un pistone cilindro
viene considerata una massa costante,
in questo caso una massa di 1 kg di ossigeno.
La caratteristica del sistema chiuso per cui esso viene denominato "a massa di controllo"
è che le sue pareti sono impermeabili al flusso di massa:
le sue pareti non permettono il passaggio della massa,
per cui sappiamo che 1 kg di ossigeno posto al suo interno
rimarrà tale, rimarrà costantemente 1 kg.
A differenza dei sistemi chiusi, i sistemi aperti non sono considerati costanti
nella loro massa; al contrario, le loro pareti sono permeabili al passaggio del flusso.
Possiamo immaginarli ad esempio come un condotto
con un ingresso ed un'uscita (nei sistemi aperti potrebbero esserci anche più ingressi e più uscite)
all'interno del quale fluisce un certo quantitativo di massa.
Le pareti del sistema aperto sono permeabili ai flussi di massa.
Focalizzando l'attenzione non più sulla massa, ma sul volume
il sistema aperto prenderà il nome di sistema a "volume di controllo".
Una volta aver definito il sistema chiuso ed il sistema aperto (che studieremo in sequenza),
inizieremo il nostro studio, termodinamicamente parlando,
partendo del sistema chiuso la cui caratteristica è quella di avere massa costante
(detto "sistema a massa di controllo")
e pareti impermeabili al flusso di massa.
Il modo più semplice di immaginare un sistema chiuso
è pensare ad un sistema pistone cilindro o ad una bombola,
un sistema che abbia le pareti rigide o fisse.
Una bombola presenta al suo interno un certo quantitativo di massa di gas.
Tuttavia può anche esistere un sistema chiuso con pareti espansibili
non rigide e fisse (come ad esempio un palloncino gonfiabile).
Nel sistema isolato una delle superfici può scorrere
quindi il pistone può o scendere verso il basso o può salire.
All'interno della massa che rimane costante
possono essere consentite delle variazioni di volume,
possono essere considerate delle espansioni o delle compressioni
(vedremo queste trasformazioni nello specifico in seguito).
Possiamo elencare delle caratteristiche
del sistema, partendo dai sistemi chiusi e definendoli come sistemi isolati.
Per sistema isolato si intende un sistema
che non permette uno scambio dal punto di vista energetico con l'esterno
né in termini di calore, né in termini di lavoro.
Le energie che considereremo in questo corso, scambiate dal sistema con l'ambiente,
sono analizzate in termini di calore e in termini di lavoro,
quindi energia termica ed energia meccanica.
Il sistema definito isolato è incapace di scambiare con l'ambiente esterno qualsiasi forma di energia.
Esistono alcuni sistemi che riescono a scambiare in modo selettivo energia
come ad esempio i sistemi adiabatici.
Un sistema è definito adiabatico
quando può scambiare energia meccanica
con l'ambiente esterno attraverso le sue pareti,
ma non energia termica;
le sue pareti non riescono a farsi attraversare da flussi di energia termica.
Il sistema aperto, rispetto al sistema chiuso,
è chiamato "a volume di controllo" ed è possibile immaginarlo come un condotto.
In esso non vi è più costanza di massa, per cui la nostra attenzione sarà rivolta al volume:
un volume fisso nello spazio entro il quale fluisce un quantitativo di massa
attraverso uno o più ingressi ed una o più uscite.
Il sistema è definito omogeneo quando
è costituito da un'unica fase.
Eterogeneo quando è costituito da più fasi.
Ad n o più componenti, se n sono le specie chimiche di cui è composto.
L'approccio della fisica tecnica in questo studio
è un approccio macroscopico,
non siamo fisici teorici ma fisici tecnici;
non poniamo il nostro interesse
microscopicamente. La nostra non è un'impostazione a valutare
le singole particelle che costituiscono il sistema
ma ci limiteremo ad usare degli strumenti per misurare delle proprietà che permetteranno
la valutazione di altre proprietà.
Misurando la pressione con un manometro, non ci occuperemo
delle singole forze, delle singole particelle
che colpiranno la superficie
determinandone una forza agente, una pressione,
ci limiteremo a trattare il sistema macroscopicamente, come un continuo.
Ciò permette di facilitare la risoluzione del nostro problema
poiché riduce le variabili da tenere in considerazione
permettendo un approccio delle volte analitico
ma principalmente grafico e tabellare,
rendendo più semplice il tutto
fornendo delle approssimazioni, senza discostarsi in modo eccessivo da un'esattezza.