Course Syllabus

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  • Fornire agli studenti le basi di termodinamica, di meccanica statistica, dei meccanismi di trasporto del calore e dei potenziali termodinamici. Acquisire la capacità di schematizzare un fenomeno, individuare le leggi fondamentali che lo governano e utilizzare questi elementi per risolvere diverse tipologie di problemi.

In particolare:

  • Conoscenza e capacità di compresione: entro la fine del corso, ogni studente sarà a conoscenza delle leggi e principi fondamentali che regolano i processi termodinamici, dei fondamenti di meccanica statistica, dei potenziali chimici, e dei processi che permettono di traspostare del calore
  • Conoscenza e capacità di compresione applicate: ogni studente sarà in grado di applicare i concetti citati sopra e di utlizzarli per descrivere la dinamica delle trasformazioni termodinamiche dei gas ideali, il funzionamento di macchine termiche e frigorifere, calcolo di variazioni entropiche e di potenziali chimici.
  • Abilità comunicative: ciascun studente sarà in grado di costruire un ragionamento analitico con chiarezza e precisione, sia in forma scritta che orale. Sarà inoltre capace di spiegare tutti i passaggi logici necessari per descrivere un processo termodinamico ed elaborare una previsione analitica (modellizzazione) del suo comportamento.
  • Capacità di apprendere: lo studente acquisirà nuovi concetti e svilupperà la capacità di applicarli in contesti differenti durante la risoluzione di esercizi. Questo corso costituisce una base per studi più avanzati in fisica.
  • Grandezze termodinamiche, funzioni di stato, equilibrio termico
  • Trasformazioni termodinamiche e gas ideali
  • Primo e secondo principio della Termodinamica
  • Cicli termici e variazioni entropiche
  • Potenziali termodinamici e chimici
  • Gas reali, relazioni di Maxwell e transizioni di fase
  • Teoria cinetica dei gas ideali, interpretazione statistica di temperatura e entropia
  • Trasporto del calore
  • Introduzione: sistemi termodinamici, grandezze termometriche, variabili e funzioni di stato termodinamiche, equilibrio termico (principio zero della termodinamica).
  • Calorimetria: sorgenti di calore, capacità termica, calori specifici, dilatazione termica, calori latenti.
  • Trasformazioni termodinamiche: lavoro e calore, energia interna, primo principio della termodinamica, processi reversibili ed irreversibili.
  • Modello del gas ideale: equazione di stato, trasformazioni reversibili (isocore, isobare, isoterme, adiabatiche) e rappresentazione nel piano di P-V, espansione libera di Joule, legge di Mayer.
  • Cicli termici: macchine termiche e rendimento, cicli frigoriferi e pompe di calore, coefficiente di prestazione.
  • Secondo principio della termodinamica:* teorema di Carnot e di Clausius, definizione di entropia, trasformazioni reversibili e irreversibili.
  • Applicazioni: calcolo di variazioni entropiche per trasformazioni dei gas ideali, scambi di calori tra due corpi o tra sorgenti, variazioni di temperatura in solidi o liquidi, transizioni di fase.
  • Potenziali termodinamici: entalpia, energia di Gibbs e Helmholtz, potenziale chimico e loro applicazioni.
  • Gas reali: equazione di stato di Van der Waals e legge di Clapeyron.
  • Sistemi PVT: relazioni di Maxwell, coefficienti di dilatazione e compressibilità, transizioni di fase, punto critico e punto triplo, espansione di Joule-Thomson.
  • Fondamenti di meccanica statistica: teoria cinetica dei gas ideali, distribuzione di Boltzman-Maxwell, libero cammino medio, interpretazione statistica di temperatura e entropia, principio di equipartizione dell’energia.
  • Meccanismi di propagazione del calore: convezione, conduzione ed irraggiamento

Gli studenti devono possedere conoscenze di matematica e fisica di base che vengono trattati durante il primo semestre nei corsi di “Calculus I” e “Mechanics”.

  • 36 ore di lezione frontale svolte in modalità erogativa, di cui 24 in presenza e 12 da remoto. Registrazioni delle lezioni saranno rese disponibili online.
  • 12 ore di esercitazioni svolte in modalità interattiva, durante le quali gli studenti vengono coinvolti nella risoluzione dei problemi proposti: 6 ore sono previste in presenza e 6 ore da remoto. Registrazioni delle lezioni saranno rese disponibili online.

I testi di riferimento per il corso sono:

  • S.J. Blundell, “Concepts in Thermal Physics”, Oxford University Press (x)
  • A.M. Steane, “Thermodynamics: A complete undergraduate course”, Oxford Academic (x)
  • A. Rex, C.B.P. Finn, “Thermal Physics”, CRC Press
  • E. Fermi, “Thermodynamics”, Dover Books

(x) Disponibile anche in formato e-book attraverso la biblioteca d’ateneo)

Secondo semestre

  • È prevista una prova scritta basata sulla risoluzione di esercizi e/o problemi di termodinamica. La prova scritta, solo se superata con voto sufficiente, sarà seguita da una prova orale che si basa su una discussione sugli argomenti del corso e può anche prevedere la risoluzione di un problema.
  • Dopo il superamento della prova scritta è possibile sostenere la prova orale in qualsiasi appello del medesimo anno accademico. Il superamento della prova scritta rimane valido anche se la prova orale non viene superata.
  • Gli orali vengono effettuati a partire dai giorni successivi alla pubblicazione degli esisti della prova scritta. Verrà pubblicato sulla pagina e-learning del corso un calendario con le date disponibili per le prove orali alle quali gli studenti potranno iscriversi.

Il risultato finale non è una media aritmetica tra la prova orale e scritta, viene determinato sulla base di:

  • Esattezza precisioni e esposizione della risoluzione degli esercizi della prova scritta
  • Conoscenza degli argomenti, capacità di applicarli e capacità espositiva (proprietà di linguaggio, chiarezza, prontezza di risposta) durante la prova orale

Il docente è sempre disponibile per discutere con gli studenti. L’orario di ricevimento deve essere concordato o a margine di una lezione o via e-mail.

ISTRUZIONE DI QUALITÁ | LAVORO DIGNITOSO E CRESCITA ECONOMICA | IMPRESE, INNOVAZIONE E INFRASTRUTTURE
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This course provides students with knowledge of the basic principles and fundamental laws of thermodynamics, thermodynamic potentials, statistical mechanics, and heat transfer mechanisms. In addition, it fosters the ability to model a phenomenon by identifying the fundamental laws that rule it, as well as apply them to solve various types of problems.

In particular:

  • Knowledge and understanding: by the end of the course, the student will have acquired a solid understanding of fundamental laws and principles of thermodynamic, an introduction to statistical mechanics and heat transfer mechanisms.
  • Applying knowledge and understanding: the student will be able to apply the aforementioned concepts to describe the dynamics of thermodynamic transformation of ideal gasses, thermal machines and their operation, entropy variations and chemical potentials
  • Communication skills: the student will be able to build analytical reasoning with clarity and precision, both in written form and orally. They will be also able to explain all the logical steps needed to describe a phenomenon and extract an analytical prediction / modellization of its behaviour.
  • Learning skills: the student will learn new concepts and develope the ability to apply them in different contexts while solving exercises. This course serves as a foundation for more advance studies in physics.
  • Thermodynamic variables, state functions, thermal equilibrium
  • Ideal gases and their thermodynamic transformations
  • First and second law of thermodynamics
  • Thermal cycles and entropy
  • Thermodynamic and chemical potentials
  • Real gases, Maxwell relations, and phase transitions
  • Kinetic theory of gases, microscopic view of entropy and temperature
  • Heat transfer mechanisms
  • Introduction: thermodynamic systems, thermometric observables, thermodynamic state variables and functions, thermal equilibrium.
  • Calorimetry: heat sources, heat capacity, thermal expansion, latent heats.
  • Thermodynamic transformations: work and heat, internal energy, first law of thermodynamics, reversible and irreversible processes.
  • Ideal gases: state equation, reversible transformations (isovolumetric, isobaric, isothermal, adiabatic) and representation in the P-V plane, Joule free expansion, Mayer’s law.
  • Thermal cycles: heat engines and efficiency, refrigerators and heat pumps.
  • Second law of thermodynamics: Carnot and Clausius theorems, definition of entropy, reversible and irreversible transformations.
  • Applications: entropy variations during transformation of ideal gases, heat exchange bodies or heat sources, temperature changes in solids or liquids, phase transitions.
  • Thermodynamic potentials: enthalpy, Gibbs and Helmholtz free energy, chemical potential and applications.
  • Real gases: Van der Waals and Clapeyron’s equations.
  • PVT systems: Maxwell relations, thermal expansion and compressibility coefficients, phase transitions, critical and triple points, Joule-Thomson expansion.
  • Basics of statistical mechanics: kinetic theory of ideal gases, Boltzmann-Maxwell distribution, mean free path.
    Statistical interpretation of temperature and entropy, energy equipartition principle.
  • Heat transfer mechanisms: convection, conduction, and radiation.

Students must have basic knowledge of mathematics and physics, as covered in the first-semester courses of "Calculus I" and "Mechanics."

  • 36 hours of Lectures given in “expository teaching”: 18 hours to be attended in person and 18 hours online. Video recordings of lectures will be available online.
  • 12 hours of Exercises given in "interactive teaching" during which students are involved in solving proposed problems: 6 hours to be attended in person and 6 hours online. Video recordings of lectures will be available online.

Reference books for this course are:

  • S.J. Blundell, “Concepts in Thermal Physics”, Oxford University Press (x)
  • A.M. Steane, “Thermodynamics: A complete undergraduate course”, Oxford Academic (x)
  • A. Rex, C.B.P. Finn, “Thermal Physics”, CRC Press
  • E. Fermi, “Thermodynamics”, Dover Books

(x) Also available in e-book format through the university library

Second semester

  • A written test is scheduled, focusing on solving thermodynamics exercises / problems. Only if passed with a grade above the threshold, the written test will be followed by an oral exam. The oral exam consists of a discussion on the course topics and may also include solving short exercises.
  • After passing the written test, students can take the oral one in any session within the same academic year. The result of the written test remains valid even if the oral one is not passed.
  • Oral tests are held starting from a few days after the publication of the written results, according to a calendar that will be posted on the e-learning page of the course. Students can therefore register to a session when they feel ready.

The final grade is not a simple arithmetic average of the written and oral test but is determined based on:

  • Accuracy, precision, and clarity in solving the exercises of the written exam.
  • Knowledge of the main topics of the course, ability to apply fundamental laws, and communication skills shown during the oral exam (use of appropriate terminology, clarity, and responsiveness)

The professor is always available for discussions, however the presence in office for discussion time is guarantee only if arranged either via a discussion in the classroom or by e-mail

QUALITY EDUCATION | DECENT WORK AND ECONOMIC GROWTH | INDUSTRY, INNOVATION AND INFRASTRUCTURE
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Key information

Field of research
FIS/03
ECTS
6
Term
Annual
Course Length (Hours)
48
Degree Course Type
Degree Course
Language
English

Staff

    Teacher

  • RG
    Raffaele Angelo Gerosa

Enrolment methods

Manual enrolments
Self enrolment (Student)

Sustainable Development Goals

QUALITY EDUCATION - Ensure inclusive and equitable quality education and promote lifelong learning opportunities for all
DECENT WORK AND ECONOMIC GROWTH - Promote sustained, inclusive and sustainable economic growth, full and productive employment and decent work for all
INDUSTRY, INNOVATION AND INFRASTRUCTURE - Build resilient infrastructure, promote inclusive and sustainable industrialization and foster innovation