Esercizi sul secondo principio della termodinamica

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In questa pagina troverete una raccolta di esercizi dedicati al secondo principio della termodinamica, uno dei fondamenti più profondi e significativi della fisica. Questo principio introduce il concetto di direzionalità dei processi termodinamici, stabilendo che non tutti i processi energetici sono reversibili e che il calore non può passare spontaneamente da un corpo freddo a uno caldo. A differenza del primo principio, che riguarda la conservazione dell’energia, il secondo principio pone dei limiti alla trasformazione dell’energia stessa.

Attraverso gli esercizi proposti, esplorerete concetti chiave come l’entropia, il rendimento dei motori termici, i cicli reversibili e irreversibili, e la distinzione tra trasformazioni spontanee e non spontanee. Questo principio è alla base della comprensione dei fenomeni irreversibili della natura ed è cruciale per lo studio dei cicli termodinamici, della produzione di energia e dei limiti fondamentali dell’efficienza nei processi fisici e tecnologici.

Questa raccolta è pensata per studenti di scuole superiori e appassionati di scienze fisiche che desiderano approfondire le proprie conoscenze e migliorare le proprie capacità di problem-solving. Speriamo che vi sia utile nel vostro percorso di studio e vi fornisca una solida base per affrontare con sicurezza le sfide poste dalla termodinamica. Buono studio!

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Esercizi svolti sul secondo principio della termodinamica


1

Sul rendimento in un ciclo irreversibile

Una mole di gas perfetto monoatomico si trova inizialmente nello stato A e compie il ciclo motore mostrato in figura. La trasformazione AB è un’espansione isoterma reversibile in cui il volume triplica V_B = 3V_A. Il gas poi si espande adiabaticamente tramite una trasformazione irreversibile che lo porta allo stato C tale che V_C = 2V_B e T_C = T_B/4. Il gas poi compie una compressione isoterma reversibile fino allo stato D in cui P_D = P_A ed infine compie un’espansione isobara che lo riporta allo stato A

Secondo Principio 1
  • Calcola il rendimento \eta del ciclo

[0,7]


2

Sulla variazione di entropia dell’universo in un motore irreversibile

Un motore compie una trasformazione irreversibile assorbendo calore Q_{ass} = 1,5 \cdot 10^3 \ J da una sorgente a temperatura T_c = 9,0 \cdot 10^2 \ K e cedendo calore ad una sorgente a temperatura T_f = 3,0 \ K. Se il lavoro prodotto è \mathcal{L} = 2,5 \cdot 10^2 \ J

  • Calcola la variazione di entropia dell’universo \Delta S_{univ}

[2,3 \ J/K]


3

Sul calcolo dell’efficienza di una macchina

Una macchina compie 4 cicli al secondo assorbendo una potenza P = 210 \ W ed opera tra due sorgenti a temperatura T_1 = 250 \ K e T_2 = 350 \ K. Se ad ogni ciclo l’entropia dell’universo aumento di \Delta S_{univ} = 0,20 \ J/K

  • Calcola l’efficienza della macchina

[0,17]


4

Sul numero di cicli in una macchina frigorifera

Ad ogni ciclo una macchina frigorifera reversibile assorbe calore pari a Q_1 da una sorgente di m = 1,2 \ kg di acqua cedendo |Q_2| = 7,25 \cdot 10^3 \ J alla sorgente calda assorbendo un lavoro pari a \mathcal{L} = -5,50 \cdot 10^2 \ J

[Suggerimento: Il calore latente di fusione del ghiaccio è \lambda = 333,5 \cdot 10^3 \ J/kg]

  • Calcola il numero di cicli per far congelare la massa m di acqua

[60]


5

Sulla variazione di entropia in un ciclo irreversibile

Una mole di gas perfetto monoatomico compie un ciclo irreversibile formato dalle seguenti trasformazioni:

  • Espansione libera dallo stato A allo stato B in cui raddoppia il volume
  • Compressione adiabatica irreversibile dallo stato B allo stato C
  • Compressione isoterma reversibile dallo stato C allo stato D in cui raggiunge V_D = (1/4)V_C
  • Trasformazione adiabatica dallo stato D allo stato A che riporta il sistema nello stato iniziale
Entropia 8
  • Calcola la variazione di entropia del gas \Delta S_{gas} nella trasformazione dallo stato B allo stato C

[Nota bene: Le trasformazioni irreversibili sono rappresentate da linee tratteggiate]

[5,74 \ J/K]


6

Sulla variazione di entropia di un blocco di metallo

Un blocco di metallo di massa m = 40 \ kg e temperatura T_M = 500 \ K cade da un’altezza pari a h = 1,5 \cdot 10^3 \ m nell’oceano che si trova a temperatura T = 280 \ K. Il calore specifico del blocco di metallo è c_p = 4,0 \cdot 10^2 \ J/(kg \cdot K). Se la variazione di entropia del blocco di metallo dopo la caduta è \Delta S_M = -5,5 \cdot 10^3 \ J/K. Trascura qualsiasi interazione con l’aria durante la caduta.

  • Calcola la variazione di entropia dell’universo \Delta S_{univ}

[9,5 \cdot 10^3 \ J/K]