Fisica Generale
Test di apprendimento di Termodinamica





Leggere le risposte solo dopo aver accuratamente riflettuto sulle risposte date precedentemente

  1. Definire la viscosità di un fluido
    La viscosità di un fluido è conseguenza dell'attrazione reciproca delle sue molecole. Il coefficiente di viscosità in una tubatura è la forza di attrito che si esercita per unità di sezione, per unità di lunghezza per velocità unitaria e si misura in Kg / (m x s).
  2. Definire la temperatura
    La temperatura è una grandezza fisica intensiva che misura lo stato termico di un corpo.
    La temperatura assoluta si misura in gradi Kelvin (la temperatura del ghiaccio fondente e dell'acqua bollente sono pari a 273.16K e 373.16K rispettivamente) ed è correttamente definita come quella scala termometrica tale da far sì che il rendimento di una macchina di Carnot sia pari all'unità diminuita del rapporto fra la temperatura inferiore e la temperatura superiore alle quali la macchina lavora.
    La temperatura è inoltre proporzionale alla energia cinetica media delle molecole.
  3. Definire il calore
    Il calore è l'energia termica che può fluire da un corpo ad un altro durante una trasformazione termodinamica. Si può misurare in calorie ovvero in Joule tramite l'equazione di equivalenza 1Q=4.186J
  4. Quando un gas può essere definito ideale e perché?
    Un gas ideale è tale che le sue molecole sono prive di volume e non interagiscono mai salvo che non si trovino a distanza nulla (urti). Un gas reale approssima abbastanza bene il comportamento ideale se i valori di temperatura, pressione e volume sono abbastanza al di sopra del punto critico e comunque il gas si trovi in condizione di elevata rarefazione, quando, cioè, l'attrazione fra le molecole è debolissima (molecole molto lontane) e quando il loro volume è trascurabile rispetto al volume del recipiente che le contiene.
  5. Disegnare un grafico che indichi (qualitativamente) una trasformazione isoterma, una trasformazione isobara, una trasformazione isocora una trasformazione adiabatica per un gas ideale

  6. Definire l'Energia Interna.
    La definizione dell'energia interna coincide col Primo Principio della Termodinamica. L'energia interna è una funzione di stato che tiene conto del bilancio energetico di un sistema termodinamico durante una trasformazione. Le sue variazioni (essa è definita a meno di una costante, p.es. l'energia interna del sistema allo zero assoluto) dipendono solo dagli stati iniziali e finali di una trasformazione e non dalla particolare trasformazione, e si possono definire come somma di tutti i possibili scambi energetici del sistema ottenuti al variare delle variabili di stato estensive. Per un gas perfetto le sue variazioni sono anche pari al calore scambiato a volume costante.
  7. Definire l'Entropia.
    La definizione di entropia coincide con il Secondo Principio della Termodinamica. L'entropia è una funzione di stato che varia per ragioni esterne ed interne ad un sistema termodinamico durante una trasformazione ma le cui variazioni dipendono solo dallo stato iniziale e finale e non dalla particolare trasformazione. Le sue variazioni per cause esterne sono tali che producono una variazione differenziale dell'entropia tale che dSe=dQ/T (dQ non è un differenziale esatto ma dS lo è). La sue variazioni per cause interne, dSi non sono generalmente esprimibili analiticamente ma non possono essere negative. La conseguenza diretta di ciò è che l'entropia di un sistema isolato non può diminuire mai, quindi deve tendere ad un massimo (equilibrio termodinamico).
  8. Definire l'Entalpia.
    L'entalpia è il potenziale termodinamico per le variabili di stato entropia, pressione e numero di moli e le sue variazioni sono pari al calore scambiato dal sistema a pressione  e numero di moli costanti
  9. La pressione idrostatica all'interno di un liquido è

    Spiegazione: La pressione all'interno di un liquido può cambiare con la profondità (legge di Stevino), può essere costante ma non nel campo della gravità terrestre, ma è certamente indipendente dalla direzione (risp.1) a causa della simmetria sferica nella distribuzione spaziale delle molecole di un fluido
  10. A mare un corpo galleggia se

    Spiegazione: La prima risposta è priva di senso, in quanto bisogna specificare di "QUANTA" acqua di mare il corpo è più leggero. La seconda non può essere corretta poiché, ad es., un transatlantico d'acciaio galleggia. La terza è corretta, infatti una nave d'acciaio contiene al suo interno grandi spazi vuoti da far sì che il rapporto della massa totale sul volume (=densità media) sia inferiore a quello dell'acqua.
  11. Il numero di Reynolds è una costante per un dato fluido


    12. Spiegazione: Ogni grandezza fisica dipende dalla Temperatura. Pertanto anche il numero di Reynolds che è proporzionale alla densità ed inversamente proporzionale alla viscosità vi dipende. La prima risposta è dunque corretta, la seconda è incorretta e la terza è priva di senso, perché le dimensioni del recipiente, che pure c'entrano col numero di Reynolds, sono irrilevanti per renderlo costante o variabile.
  12. Due corpi in contatto termico sono in equilibrio termico se


    13. Spiegazione: L'equilibrio termico di un sistema fisico (ovvero della unione di più sottosistemi) si raggiunge quando la temperatura è uniforme (quindi la stessa per due corpi in contatto termico). Parimenti all'equilibrio l'Entropia di tutto il sistema sarà massima (se il sisitema è isolato) ma non deve necessariamente essere la stessa l'Entropia dei due singoli sottosistemi (p.es. uno potrebbe essere molto più esteso dell'altro e L'Entropia è una variabile estensiva). La pressione all'equilibrio deve essere uniforme, ma se i due corpi fossero solidi il suo valore sarebbe irrilevante per stabilire l'equilibrio termico. Pertanto va scelta la prima risposta.
  13. Il calore specifico è


    14. Spiegazione: La terza risposta altro non è che la definizione di calore specifico. La seconda è concettualmente sbagliata perché il calore non si possiede ma transita da un sistema ad un altro. La prima è semplicemente ridicola.
  14. A due corpi alla stessa temperatura viene fornita la stessa quantità di calore. Al termine di questo processo i due corpi possono avere temperature diverse.


    15. Spiegazione: Entrambe la prima e la terza sono corrette. La prima perché una stessa quantità di calore potrebbe essere ceduta in maniera diversa (p.es. a pressione costante o a volume costante) portando i sistemi in due stati termodinamici diversi. La terza è corretta perché se le capacità termiche sono diverse con la stessa quantità di calore si otterranno temperature finali diverse. La seconda è invece inesatta, poiché sarebbe vera SOLO se le masse dei due corpi fossero uguali (in tal caso avrebbero la stessa capacità termica).
  15. A pressione costante, se il volume si dimezza cosa fa la temperatura di un gas ideale?


    16. Spiegazione: L'equazione di stato dei gas perfetti (PV=nRT) chiarisce che la risposta corretta è la terza, poiché temperatura e volume sono proporzionali a pressione costante. La prima è errata, in quanto comprimendo il gas la pressione aumenta se la temperatura si mantenesse costante. La seconda è semplicemente sbagliata.
  16. Una trasformazione termodinamica che avviene in maniera estremamente veloce è


    17. Spiegazione: Il calore per fluire da un sistema ad un altro necessità di tempo (deve essere ceduto ed assorbito). Una espansione però potrebbe essere molto veloce (si pensi al movimento del pistone di un motore a scoppio). In tal caso la pressione all'interno del cilindro diminuirà altrettanto velocemente (è infatti la compressione del gas nella camera di scoppio che produce l'espansione), rendendo la terza risposta sbagliata. Sempre nell'esempio del pistone, la temperatura varierà altrettanto velocemente (dopo lo scoppio), anzi se non variasse il rendimento del motore sarebbe nullo (ovvero non siù potrebbe avere una macchina termica). Pertanto solo la prima risposta è corretta.
  17. Non sempre la temperatura di un corpo varia quando esso scambia calore con l'esterno.


    18. Spiegazione: La seconda risposta fornisce l'esempio illiminante che risponde esaustivamente al quesito. Il fatto che calore e temperatura siano grandezze indipendenti non esclude che per aumentare o diminuire la temperatura di un sistema fisico gli si possa cedere o prelevare del calore (anzi nella maggior parte dei casi è così!). La terza sarebbe vera se non esistessero (e per fortuna esistono!) le transizioni di fase.
  18. Uno stato termodinamico è univocamente definito se si conoscono


    19. Spiegazione: La prima risposta sarebbe corretta se quelle indicate fossero le sole variabili di stato, cioè si fosse nel caso di assenza di scambi energatici di natura elettrica, magnetica, elettromagnetica, nucleare, ecc.. Se si conoscono delle equazioni di stato, ogni equazione consentirebbe di eliminare una variabile di stato (p.es. la temperatura conoscendo pressione, volume e numero di moli con un gas perfetto). Ma per definire uno stato almeno una variabile di stato indipendente è necessaria (p.es. per un gas perfetto U(T)), pertanto la risposta 3 è insufficiente mentre la seconda risposta è corretta.
  19. Una variabile di stato è


    20. Spiegazione: La prima risposta è evidentemente corretta. La seconda è invece errata, in quanto la richiesta dell'equilibrio è indispensabile non solo per definire ma anche per misurare la variabile di stato. La terza escluderebbe l'esistenza di variabili di stato estensive quali Volume, numero di moli, Entropia, ecc., pertanto non può essere corretta.
  20. Una funzione di stato è


    21. Spiegazione: La seconda risposta è evidentemente corretta. La prima è piuttosto la definizione di equazione di stato, mentre la terza è l'equazione che in qualche piano descrive una trasfromazione termodinamica (p.es. l'equazione politropica del gas perfetto nel piano di Clapeyron)
  21. Il Primo principio della Termodinamica afferma che


    22. Spiegazione: La prima risposta, benché forse corretta, si riferisce al secondo principio e non al primo. La seconda è errata, in quanto una parte dell'energia assorbita potrebbe (e ciò avviene quasi sempre) trasformarsi in calore, ovvero essere distribuita ai gradi di libertà interni (microscopici) del sistema. La terza risposta, invece, chiarisce il corretto bilancio energetico e sottintende pure che l'energia interna sia una funzione di stato, visto che non fa riferimento alle modalità particolari (trasformazione termodinamica) con cui avvengono gli scambi energetici.
  22. Una macchina termica assorbe Q Kcal da una sorgente termica e ne cede Q/2 ad un'altra. Il rendimento della macchina è


    23. Spiegazione: La seconda e la terza sono banalmente errate perché il rendimento di una macchina deve essere compreso fra 0 ed 1. Il rendimento di una macchina termica qualunque è dato dal lavoro ottenuto nella trasformazione ciclica rapportato alla energia in entrata (in questo caso Q). Nel caso in questione, visto che comunque per una macchina termica la trasformazione deve essere ciclica, il lavoro ottenuto è al massimo Q-Q/2=Q/2. Tuttavia va aggiunto che tale rendimento è comunque solo teorico, perché non sono difficilmente evitabili dispersioni di energia (per attriti o altro).
  23. Il rendimento di una macchina termica tende ad 1 quando


    24. Spiegazione: Il rendimento di una macchina di Carnot è 1-T2/T1, ed è una macchina ideale che lavora SENZA attriti. Pertanto la prima risposta è sbagliata oltre che incompleta, la terza è una svista in quanto se le temperature fossero uguali il rendimento sarebbe nullo, ma la seconda sarebbe corretta se T1 fosse molto maggiore di T2.
  24. Una trasformazione è irreversibile quando


    25. Spiegazione: La risposta corretta è la terza, perché se una trasformazione non avviene passando fra stati termodinamici (di equilibrio) facendo variare tutte le variabili di stato di quantità infinitesime non può essere reversibile, in quanto non si potrà tornare indietro ripassando dagli stessi stati. Tale trasformazione, però, potrebbe avvenire anche in tempi brevi (p.es. se lo stato finale è infinitamente vicino a quello iniziale). La seconda è errata, perché si può andare da uno stato A ad uno stato B con una trasformazione irreversibile ma poi è sempre possibile tornare da A a B (p.es. con un'altra trasformazione irreversibile).
  25. Il Secondo Principio della Termodinamica afferma che


    26. Spiegazione: La seconda risposta è semplicemente l'Enunciato di Clausius, pertanto è corretta. La prima e la terza sarebbero corrette sostituendo alle parole "calore scambiato" le parole "tutto il calore scambiato", ed in tale caso corrisponderebbero all'Enunciato di Kelvin.
  26. Alternativamente il Secondo Principio della Termodinamica afferma che


    27. Spiegazione: Visto che l'Entropia è una funzione di stato, e che lo stato iniziale e finale di una trasformazione ciclica coincidono, la prima risposta è necessariamente errata: l'Entropia dello stato iniziale è la stessa di quello finale. La seconda e la terza sono invece entrambe esatte, poiché affermano esattamente la stessa cosa.
  27. Il Secondo Principio della Termodinamica vieta che


    28. Spiegazione: Dato che l'universo è un sistema isolato la terza è corretta. Per quanto riguarda la prima è ovvio che un essere vivente non è isolato, e pertanto può ridurre la propria entropia (a spese dell'ambiente che lo circonda). La seconda è sbagliata perché l'entropia è una funzione di stato (vedi quesito precedente)
  28. In un gas a numero di moli fissato


    29. Spiegazione: Dato che ogni grandezza fisica dipenda dalla tempetratura, la seconda risposta è sbagliata. La prima sarebbe corretta se il gas fosse perfetto, mentre la terza si applica ad un gas reale (in assenza di campi esterni)
  29. La pressione interna (Eq. di Van der Waals) in un gas reale è


    30. Spiegazione: A corta distanza due particelle si respingono e ciò fa sì che si possa definire (in media) un covolume, correzione di Van Der Waals relativa al volume disponibile (V-b al posto di V), non alla pressione interna. Pertanto la seconda e la terza risposta sono entrambe sbagliate. La seconda è invece corretta perché la pressione interna tiene conto (in media) della attrazione a lungo e medio raggio tra le particelle (che sono rallentate nella corsa verso le pareti) e di eventuali urti (interazione a corto raggio) che impediscono alle particelle di raggiungere le pareti.
  30. Se la pressione varia alla coesistenza di due fasi la temperatura varierà. Vero o falso?
    • Domanda trabocchetto: alla coesistenza la pressione resta costante (vedi curve di Andrews)
    • Vero
    • Falso


    31. Spiegazione: Alla coesistenza di fase una variazione di volume non farà cambiare né la pressione né la temperatura (cfr. Curve di Andrews). Ma se si forza un cambiamento di pressione la coesistenza si potrà avere solo passando ad un'altra isoterma. Pertanto solo la seconda risposta è corretta o sensata.
  31. Come realizzereste un termometro che possa misurare temperature altissime e bassissime?
    • Mettendo un gas in contatto termico col corpo di cui si vuole misurare la temperatura (in un recipiente molto grande) e misurando le variazioni di volume e di pressione del gas
    • Con il mercurio, in un vaso capillare estremamente lungo e con moltissime tacche
    • Costruendo una macchina termica che lavori fra una temperatura nota e quella da determinare


    32. Spiegazione: La prima progetta un termometro non realizzabile, in quanto si dovrebbe conoscere esattamente l'equazione di stato del gas, cosa possibile solo per un gas perfetto, che a sua volta non esiste (a parte il fatto che la variazioni di volume di un recipiente grande potrebbero essere trascurabili rispetto al volume del recipiente stesso). La seconda risposta è un po' ridicola e presuppone che la dilatazione del mercurio sia lineare a temperature basse o alte (il che non è, a parte il fatto che il mercurio per temperature molto basse solidificherà). La terza risposta corrisponde alla costruzione di una macchina elettrica detta termocoppia, che può lavorare fra due temperature di cui una nota (p.es. il ghiaccio fondente) sfruttando gli effetti termoelettrici (Peltier e Seebeck).
  32. In un gas le molecole sono biatomiche, possiedono momento di inerzia I ed i loro nuclei possono vibrare con frequenza  $\omega$. A temperatura T l'energia cinetica media per molecola del gas è
    • $\frac{5}{2}k_B T$ (Risposta corretta)
    • $\frac{5}{2}k_B T+\frac{1}{2}I<\omega^2>$
    • $\frac{7}{2}k_B T$


    33. Spiegazione: In un gas perfetto l'energia cinetica media è KBT/2 per ogni grado di libertà della molecola. Una molecola biatomica possiede tre gradi di libertà traslazionali e due rotazionali (due assi perpendicolari alla congiungente le molecole). Pertanto la risposta corretta è solo la prima.

     

     Scaletta punteggi:
     Risposte corrette da               0-18    =   Insufficiente
                                                  19-21   =   Sufficiente
                                                  22-24   =   Discreto
                                                  25-27   =   Buono
                                                  28-30   =   Ottimo
                                                  31-32   =   Eccellente