Tutorial di fisica di base

Per spiegare i processi termodinamici irreversibili, gli scienziati hanno formulato la seconda legge della termodinamica. La seconda legge della termodinamica spiega quali processi possono verificarsi nell'universo e quali no. Uno scienziato di nome RJE Clausius (1822-1888) fece la seguente affermazione:

Naturalmente, il calore si trasferisce dagli oggetti ad alta temperatura a quelli a bassa temperatura; naturalmente, il calore non si trasferisce dagli oggetti a bassa temperatura a quelli ad alta temperatura (Seconda legge della termodinamica - Enunciato di Clausius).

L'enunciato di Clausius è uno degli enunciati particolari del secondo principio della termodinamica. Viene definito particolare perché si applica a un solo processo, quello del trasferimento di calore. Poiché questo enunciato non si applica ad altri processi, è necessaria una formulazione più generale. Lo sviluppo di una formulazione generale del secondo principio della termodinamica si basa sullo studio delle macchine termiche. Pertanto, analizzeremo innanzitutto il calore generato dalle macchine.

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Articolo Processi termodinamici: isotermico adiabatico isocoro isobarico

Esistono quattro processi termodinamici, vale a dire isotermico, isocoro, isobarico e adiabatico.

Processo isotermico (temperatura costante)

In un processo isotermico, la temperatura del sistema viene mantenuta costante. Teoricamente, il sistema analizzato è un gas ideale. La temperatura di un gas ideale è direttamente proporzionale all'energia interna del gas ideale (U = 3/2 n RT). Poiché T non cambia, anche U non cambia. Pertanto, se applicata al processo isotermico, la prima legge dell'equazione termodinamica diventa:

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processo termodinamico

Il calore (Q) è l'energia che si trasferisce da un oggetto all'altro a causa di una differenza di temperatura. Nel contesto di sistemi e ambienti, il calore è l'energia che si trasferisce dal sistema all'ambiente o dall'ambiente al sistema, a causa della differenza di temperatura. Se la temperatura del sistema è superiore alla temperatura ambiente, il calore fluirà dal sistema all'ambiente. Se la temperatura ambiente è superiore alla temperatura del sistema, il calore fluirà dall'ambiente al sistema.

Il calore (Q) è l'energia che si muove a causa della differenza di temperatura, mentre il lavoro (W) è correlato al trasferimento di energia tramite lavoro. Ad esempio, se il sistema compie lavoro sull'ambiente, l'energia si trasferisce dal sistema all'ambiente. Viceversa, se l'ambiente compie lavoro sul sistema, l'energia si trasferisce dall'ambiente al sistema.

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Collisioni anelastiche

La legge di conservazione dell'energia cinetica non è applicabile nelle collisioni anelastiche. La legge di conservazione della quantità di moto è applicabile nelle collisioni anelastiche solo se non agisce alcuna forza esterna sui due oggetti che si scontrano. In una collisione anelastica, i due oggetti rimangono uniti o attaccati l'uno all'altro dopo la collisione.

Esempio di domanda 1.

Due oggetti hanno la stessa massa, ovvero 1 kg. L'oggetto 1 si muove su un piano orizzontale a una velocità di 10 m/s e urta contro l'oggetto 2, che è fermo. Dopo l'urto, i due oggetti rimangono uniti. Qual è la velocità dei due oggetti dopo l'urto?

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Collisioni parzialmente elastiche

Nelle collisioni parzialmente elastiche, si applica la legge di conservazione della quantità di moto, mentre non si applica la legge di conservazione dell'energia cinetica. Al momento della collisione, parte dell'energia cinetica si converte in energia sonora, energia termica ed energia interna. L'uso del termine "elastico" indica che, dopo la collisione, i due oggetti non rimangono attaccati ma rimbalzano.

Un esempio di collisione parzialmente elastica è la collisione unidimensionale di due biglie o due palle da biliardo.

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Conservazione della quantità di moto lineare

La legge di conservazione della quantità di moto lineare afferma che, in assenza di forze esterne che agiscono su due oggetti in collisione, la quantità di moto degli oggetti prima della collisione è uguale alla quantità di moto degli oggetti dopo la collisione.

p₁ + pag₂ = pag₁ ' + p₂ ' ………………….. Equazione 1.4

m₁ v₁ +m₂ v₂ = m₁ v₁ ' + m₂ v₂ '

Se dopo la collisione entrambi gli oggetti restano uniti,

m₁ v₁ +m₂ v₂ = (m₁ +m₂ ) v'

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Collisioni perfettamente elastiche

Una collisione tra due oggetti è detta collisione perfettamente elastica se la quantità di moto o l'energia cinetica di ciascun oggetto prima della collisione è uguale alla quantità di moto e all'energia cinetica di ciascun oggetto dopo la collisione. In altre parole, la legge di conservazione della quantità di moto e la legge di conservazione dell'energia cinetica sono applicabili nelle collisioni perfettamente elastiche. L'uso del termine "elastico" indica che, dopo la collisione, i due oggetti non si attaccano l'uno all'altro, ma rimbalzano. La quantità di moto di ciascun oggetto si conserva.

La quantità di moto di ciascun oggetto si conserva.

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principio di energia meccanica del lavoro

Il teorema lavoro-energia cinetica afferma che il lavoro netto, ovvero il lavoro compiuto dalla forza risultante, è uguale alla variazione di energia cinetica.

W_rete = A_t - A_o = 1⁄2 m(v_t² - v_o²)

W_rete Esistono due tipi di forze, ovvero la forza conservativa e la forza non conservativa. Pertanto, il lavoro netto può essere considerato come la somma del lavoro svolto dalla forza conservativa e del lavoro svolto dalla forza non conservativa.

W_c + W_nc = ΔKE

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Lavoro svolto dalle forze conservatrici Energia potenziale

Observe an object which moves vertically upwards and then return to its initial position after reaching a maximum height. When the object is moving vertically upwards, weight does negative work on the object. When the object is moving upwards, the object’s height increases. Therefore, the object’s gravitational potential energy increases as well. It can be concluded that the negative work done by weight is equal to the increase in the object’s gravitational potential energy (PE).

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Forza conservatrice e forza non conservatrice

1. Conservative Force

1.1 Peso (w)

Observe an object which moves vertically upwards until reaching a maximum height before moving downwards towards its initial position. When moving vertically upwards by h, the weight is opposite in direction from displacement. Thus, the weight does negative work on the object. 

W = w h (cos 180^o) = – wh = – mgh

After reaching a maximum height, the object moves downwards towards its initial position by h. When moving downwards, the weight is in the same direction as the displacement. Because it is in the same direction as displacement, the weight does positive work.

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