Problema di termodinamica

Messaggioda sphyr » 06/04/2020, 15:12

Salve a tutti! Mi servirebbe un aiuto per questo problema di termodinamica (fonte:https://international.unitn.it/alfresco/download/workspace/SpacesStore/0a1dc181-d4f3-4f4d-b7dd-60d84ec7eb37/Test%20SISSA%20_2014.pdf)
Immagine

Non traduco il testo dell'esercizio perché è lungo e tanto so che qua siamo tutti gentlemen cosmopoliti e l'inglese 'un lo temiamo.
Punto 1) ho assunto che il gas fosse perfetto (non lo dicono ma una qualche equazione di stato ce la dovrà avere) per ricavare le pressioni da una parte e dall'altra del pistone:
\(\displaystyle p_AV_0/2=RT_A \), \(\displaystyle p_BV_0/2=RT_B \), dunque \(\displaystyle p_A-p_B=\frac{2R(T_A-T_B)}{V_0} \).
All'equilibrio \(\displaystyle \vec{T}+(p_A-p_B)\frac{V_0}{2l}\hat{n}=0 \). E si tratta di sostituire.
\(\displaystyle T=\frac{R(T_A-T_B)}{l}\)
Perfetto.

Punto 2) Assumendo (mah...) che il pistone sia adiabatico, tutto il calore fornito (quasistaticamente) dalla resistenza è trasformato in energia interna, in quanto il filo impedisce la produzione di lavoro meccanico. Si tratta di imporre \(\displaystyle 5000N=\frac{R(\bar{T}_A-T_B)}{l} \).

Punto 3)La trasformazione \(\displaystyle A\rightarrow \bar A \) è un riscaldamento isocoro. Possiamo allora calcolare \(\displaystyle Q=c_v(\bar{T}_A-T_A) \) (Il calore molare è un altro dato che il problema non fornisce... Mah.)

Punto 4) All'equilibrio deve essere \(\displaystyle p_{A'}=p_{B'} \), \(\displaystyle V_{A'}+V_{B'}=V_0 \). Come mi conviene procedere di qui in poi? C'è qualche modo furbo di usare l'equazione di stato o devo imporre che sia minima l'energia interna?
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Re: Problema di termodinamica

Messaggioda Shackle » 06/04/2020, 18:31

Per il punto 4, io direi che il gas a sinistra si espande adiabaticamente, e quello a destra si comprime adiabaticamente, visto che il cilindro è adiabatico.
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Messaggioda anonymous_0b37e9 » 08/04/2020, 13:21

sphyr ha scritto:Punto 4) ...

Il problema del pistone adiabatico non è risolvibile dal solo punto di vista termodinamico. Del resto:


Variabili termodinamiche iniziali gas A

$[n_A,P_A,V_A,T_A] ^^ [P_AV_A=n_ART_A]$

Variabili termodinamiche iniziali gas B

$[n_B,P_B,V_B,T_B] ^^ [P_BV_B=n_BRT_B]$

Variabili termodinamiche finali gas A

$bar(P_A),bar(V_A),bar(T_A)$

Variabili termodinamiche finali gas B

$bar(P_B),bar(V_B),bar(T_B)$


Equazioni risolutive

$bar(P_A)bar(V_A)=n_ARbar(T_A)$

$bar(P_B)bar(V_B)=n_BRbar(T_B)$

$bar(P_A)=bar(P_B)$

$bar(V_A)+bar(V_B)=V_A+V_B$

$n_Ac_V(bar(T_A)-T_A)+n_Bc_V(bar(T_B)-T_B)=0$


Insomma, poiché si hanno 5 equazioni in 6 incognite, il problema è indeterminato. Solo adottando opportuni modelli dinamici microscopici è possibile trarre delle conclusioni.
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Re: Problema di termodinamica

Messaggioda sphyr » 10/04/2020, 14:02

Credo di essere arrivato alla soluzione, grazie soprattutto all'aiuto del mio pazientissimo esercitatore. Colgo per chiedere un favore a tutti gli uomini di buona volontà: Sarebbe fattibile aprire un thread che raccolga le soluzioni degli esami di ammissione alla SISSA? Un po' come quello che è già stato fatto per la Normale. Non so quanti contribuirebbero ma per conto mio cercherei di pubblicare più esercizi possibile (di quelli che riesco a fare, ovviamente :D )
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Re: Problema di termodinamica

Messaggioda sphyr » 10/04/2020, 14:29

Sotto le stesse ipotesi già esposte, di gas perfetto, pistone adiabatico e sistema isolato, consideriamo l'entropia del sistema:
\(\displaystyle S=S_A+S_B \).
La variazione di entropia dall'istante della rottura della fune \(\displaystyle (p_A, V_A, T_A) \) all'equilibrio finale \(\displaystyle (\overline p_A, \overline V_A, \overline T_A) \) è data, scegliendo come variabili di stato \(\displaystyle T,V \)1:
\(\displaystyle \Delta S= \frac{3}{2}Rn_A \ln\frac{\overline T_A \overline V_A^{\gamma-1}}{T_A V_A^{\gamma-1}} + \frac{3}{2}Rn_B\ln\frac{\overline T_B \overline V_B^{\gamma-1}}{T_B V_B^{\gamma-1}} \).

Lo stato verso cui il sistema evolve spontaneamente è quello per cui l'aumento di entropia è massimo, da cui ricaviamo la sesta relazione:

\(\displaystyle \frac{d \Delta S}{d\overline T_A}=0 \) (scegliendo di esprimere tutte le altre variabile di stato in termini di \(\displaystyle \overline T_A, V_0 \).
Adesso il problema è risolvibile, infatti abbiamo 6 equazioni in 6 incognite:
\(\displaystyle (\overline p_A, \overline V_A, \overline T_A) (\overline p_B, \overline V_B, \overline T_B)\)

\(\displaystyle \begin{cases} \overline p_A \overline V_A=n_AR \overline T_A \\ \overline p_B \overline V_B=n_BR \overline T_B \\ \Delta U_A + \Delta U_B = 0 \\ \overline V_A + \overline V_B = V_0 \\ \overline p_A = \overline p_B \\ \frac{d \Delta S}{d\overline T_A}=0 \end{cases} \)

Direi che così dovrebbe andare :)

Note

  1. Probabilmente ci sono scelte di variabili più intelligenti ma questa va più che bene
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Messaggioda anonymous_0b37e9 » 10/04/2020, 21:12

sphyr ha scritto:Adesso il problema è risolvibile ...

Sei sicuro che la sesta equazione non sia una mera identità? Solo per fare un esempio:

Immagine

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Ripeto. Il problema del pistone adiabatico non è risolvibile dal solo punto di vista termodinamico. Proprio perché indeterminato, si tratta di un classico della letteratura scientifica. Insomma, capisco che fidarsi è bene ma non fidarsi è meglio. Tuttavia, non sono poi così uno sprovveduto. :-)

P.S.
Tu pensa che qualcuno ci ha fatto pure la tesi: http://tesi.cab.unipd.it/61470/
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Messaggioda sphyr » 10/04/2020, 23:17

anonymous_0b37e9 ha scritto:
sphyr ha scritto:Adesso il problema è risolvibile ...

Sei sicuro che la sesta equazione non sia una mera identità? Solo per fare un esempio:

Immagine

Immagine

Ripeto. Il problema del pistone adiabatico non è risolvibile dal solo punto di vista termodinamico. Proprio perché indeterminato, si tratta di un classico della letteratura scientifica. Insomma, capisco che fidarsi è bene ma non fidarsi è meglio. Tuttavia, non sono poi così uno sprovveduto. :-)

P.S.
Tu pensa che qualcuno ci ha fatto pure la tesi: http://tesi.cab.unipd.it/61470/

Mai pensato che tu fossi (voi foste? Lei fosse?) uno sprovveduto, anzi!
L'esercizio che hai allegato1 (e il poco della tesi che sono riuscito a comprendere) mi hanno dato molto insight sul problema che, almeno per il momento, sono costretto ad abbandonare. D'altronde mi sfugge un dettaglio:
In nessuna delle restanti 5 equazioni viene utilizzato il secondo principio. Ma allora, vista la sua validità assolutamente generale e, (almeno a mio avviso) la correttezza di questa applicazione particolare, come è possibile che ci si riconduca ad un'identità?

Note

  1. Da che libro proviene? Sembra un bell'esercizio
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Messaggioda anonymous_0b37e9 » 30/04/2020, 15:42

Intanto, scusa il ritardo della risposta.

sphyr ha scritto:Da che libro proviene?

Dal terzo riferimento contenuto nella bibliografia della tesi:

Callen, Thermodynamics

sphyr ha scritto:Ma allora, vista la sua validità assolutamente generale ...

Mi limito ad osservare che, per una trasformazione irreversibile, il secondo principio della termodinamica comporta la scrittura di una disequazione, non di un'equazione. Insomma, paradossalmente, uno studente alle prime armi, ignaro dell'interpretazione di Boltzmann, avrebbe concluso immediatamente che il problema era indeterminato.
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