Termodinamica: differenze tra le versioni

 

Fu [[Sadi Carnot]] nel [[1824]] il primo a dimostrare che si può ottenere [[lavoro (fisica)|lavoro]] dallo scambio di [[calore]] tra due sorgenti a temperature differenti. Attraverso il [[teorema di Carnot (termodinamica)|teorema di Carnot]] e la [[Ciclo di Carnot|macchina ideale di Carnot]] quantificò questo lavoro e introdusse il concetto di [[Rendimento (termodinamica)|rendimento termodinamico]].

Nel [[1848]] [[Lord Kelvin]] utilizzando la macchina di Carnot introdusse il concetto di [[Temperatura assoluta|temperatura termodinamica assoluta]] e a lui si deve un enunciato del [[secondo principio della termodinamica]].

Nel [[1850]] [[James Prescott Joule|Joule]] dimostra l'uguaglianza delle due forme di [[energia]] (allora si credeva esistesse ancora il fluido calorico).

 

 

== Sistemi termodinamici ==

Un sistema termodinamico è una porzione di spazio, separata dal resto dell’universo (cioè l’ambiente esterno) mediante una superficie di controllo (superficie reale o immaginaria, rigida o deformabile), sede di trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno.

I suddetti scambi possono avvenire sotto forma di calore o lavoro. Questi due concetti non sono delle proprietà intrinseche del sistema, ma sussistono nel momento in cui esso interagisce con l'ambiente, cioè scambia energia con l'esterno. Quindi un sistema non possiede calore o lavoro, bensì energia; ogni variazione di energia è poi esprimibile in termini di ''calore'' (se il passaggio di energia è dovuto ad una differenza di temperatura tra ambiente e sistema) e lavoro (per qualunque variazione energetica che non sia dovuta alla differenza di temperatura, come ad es. una forza meccanica che provochi uno spostamento, un trasferimento di energia elettrica o elastica).

Si possono distinguere vari tipi di sistemi, in dipendenza dal modo di scambiare energia con l'esterno:

* sistemi ''isolati'': non scambiano [[calore]], [[Materia (fisica)|materia]], [[lavoro (fisica)|lavoro]] con l'esterno (bordi impermeabili, rigidi e adiabatici);

* sistemi ''chiusi'': scambiano energia (calore, lavoro), ma non materia con l'esterno. Quando un sistema scambia calore, lavoro o entrambi, lo si può classificare in base alle proprietà al bordo che sarà:

** adiabatico o diatermano

* sistemi ''aperti'': permettono scambio di energia e materia con l'esterno (cioè bordi permeabili o semipermeabili, diatermi e flessibili).

== Coordinate termodinamiche ==

Le proprietà termodinamiche usate per descrivere un sistema sono dette coordinate termodinamiche. Dato un certo numero di coordinate, esse possono essere:

* indipendenti, se è possibile modificare il valore di ciascuna di esse senza determinare una variazione del valore delle altre;

* dipendenti, se variando il valore di una di esse anche le altre coordinate vengono modificate.

 

E' tipica della termodinamica la distinzione fra [[proprietà intensive ed estensive]]:

* intensive, se non dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. pressione e temperatura);

* specifiche: rapportando una proprietà estensiva con le dimensioni del sistema (tipicamente la massa, ma anche il numero di moli o il volume) si ottiene una proprietà intensiva che è detta la corrispondente ''specifica'' della proprietà estensiva corrispondente: volume specifico, densità ("massa specifica"), calore specifico...

Secondo un noto ''postulato di stato'', date due proprietà intensive indipendenti, lo stato di un sistema semplice risulta completamente determinato.

[[Temperatura]], [[volume]], [[pressione]] e numero di [[mole|moli]] sono i tipici esempi di coordinate termodinamiche.

== Trasformazioni termodinamiche ==

Quando un sistema passa da uno stadio di equilibrio ad un altro, si dice che avviene una [[trasformazione termodinamica]]: si distingue tra ''trasformazioni reversibili'', ovvero quelle trasformazioni che consentono di essere ripercorse in senso inverso (si ritorna precisamente al punto di partenza, ripercorrendo all'indietro gli stessi passi dell'andata), e ''trasformazioni irreversibili'', ovvero quelle trasformazioni che, se ripercorse all'indietro, non faranno ritornare al punto iniziale, ma ad uno diverso. Perché una trasformazione sia reversibile è necessario che essa avvenga abbastanza lentamente da permettere al sistema di termalizzare (il sistema deve passare attraverso infiniti stati di equilibrio termodinamico).

*''Adiabatiche'', se il calore totale scambiato è nullo;

*''Isoentropiche'', o ''adiabatiche reversibili'', se la variazione di entropia è nulla;

== I Principi della Termodinamica ==

I principi della termodinamica vennero enunciati nel corso del [[XIX secolo]] e regolano le trasformazioni termodinamiche, il loro procedere, i loro limiti. Sono dei veri e propri assiomi, non dimostrati e indimostrabili, fondati sull'esperienza, sui quali si fonda tutta la teoria che riguarda la termodinamica.

Si possono distinguere tre principi di base più un principio zero che definisce la temperatura, e che è implicito negli altri tre.

=== Principio Zero ===

Quando due sistemi interagenti sono in equilibrio termico, condividono alcune proprietà, che possono essere misurate dando loro un preciso valore numerico. In conseguenza, quando due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro e la proprietà condivisa è la [[temperatura]]. Il principio zero della termodinamica dice semplicemente che, se un corpo "A" è in equilibrio termico con un corpo "B" e "B" è in equilibrio termico con un corpo "C", "A" e "C" sono in equilibrio tra loro.

Tale principio spiega il fatto che due corpi a temperature diverse, tra cui si scambia del [[calore]], (anche se questo concetto non è presente nel principio zero) finiscono per raggiungere la stessa temperatura. Nella formulazione cinetica della termodinamica, il principio zero rappresenta la tendenza a raggiungere un'[[energia cinetica]] media comune degli atomi e delle molecole dei corpi tra cui avviene scambio di calore: in media, come conseguenza degli urti delle particelle del corpo più caldo, mediamente più veloci, con le particelle del corpo più freddo, mediamente più lente, si avrà passaggio di [[energia]] dalle prime alle seconde, tendendo dunque ad uguagliare le temperature. L'[[efficienza]] dello scambio di energia determina i [[calore specifico|calori specifici]] dei materiali coinvolti.

=== Primo Principio ===

Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. Per spiegare questo fenomeno, gli scienziati del [[XVIII secolo]] supposero che una sostanza, presente in maggior quantità nel corpo più caldo, passasse nel corpo più freddo. Questa sostanza ipotetica, detta ''[[calorico]]'', era pensata come un fluido capace di muoversi attraverso la materia. Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore come una forma di energia che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è una sostanza materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in [[calorie]], e il lavoro o l'energia, misurati in [[joule]], sono assolutamente equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,186 joule.

Il primo principio è dunque un principio di [[conservazione dell'energia]]. In ogni [[macchina termica]] una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto ''[[moto perpetuo]] di prima specie''.

Il primo principio viene tradizionalmente enunciato come "In un sistema chiuso si ha che

''ΔU = dq - dw''

dq è il calore scambiato tra ambiente e sistema (positivo se fornito al sistema, negativo se invece ceduto dal sistema) e dw il lavoro compiuto (positivo se compiuto dal sistema sull'ambiente, negativo invece se compiuto dall'ambiente sul sistema).

La convenzione dei segni risente del legame con lo studio dei motori termici, nei quali il calore viene trasformato (parzialmente) in lavoro.

Formulazioni alternative ed equivalenti del primo principio sono:

* Per un sistema aperto, ''q-w=ΔE'', ove per ΔE si intende la variazione di energia totale, che altro non è che la somma delle variazioni dell'energia interna , dell'energia cinetica e dell'energia potenziale possedute da quel sistema. Si vede che per un sistema chiuse le variazioni di energia cinetica e potenziale sono nulle per cui ci si riconduce alla relazione precedente.

* Per un ciclo termodinamico, ''q=w'', dal momento che la variazione di energia totale è nulla, dovendo il sistema, al termine di ogni ciclo, ritornare nelle stesse condizioni di partenza.

=== Secondo Principio ===

Esistono diversi enunciati del [[secondo principio della termodinamica|secondo principio]], tutti equivalenti, e ciascuna delle formulazioni ne mette in risalto un particolare aspetto. '''Esso afferma che è impossibile realizzare una [[macchina ciclica]] che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo freddo a uno caldo (enunciato di [[Rudolf Clausius|Clausius]])''' o, equivalentemente, che '''è impossibile costruire una macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola sorgente (enunciato di [[Lord Kelvin|Kelvin]])'''. Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto ''[[moto perpetuo]] di seconda specie''.

L'[[entropia (termodinamica)|entropia]] totale di un sistema isolato rimane invariata quando si svolge una trasformazione reversibile ed aumenta quando si svolge una trasformazione irreversibile.

=== Terzo Principio ===

È strettamente legato al secondo, e in alcuni casi è considerato come una conseguenza di quest'ultimo. Può essere enunciato dicendo che '''è impossibile raggiungere lo [[zero assoluto]] con un numero finito di trasformazioni''' e fornisce una precisa definizione della grandezza chiamata [[entropia (termodinamica)|entropia]]. Esso afferma inoltre che l'entropia per un solido perfettamente cristallino, alla temperatura di 0 Kelvin è pari a 0. È facile spiegare questo enunciato tramite la termodinamica molecolare: un solido perfettamente cristallino è composto da un solo complessioma (sono tutti i modi di disporre le molecole, se le molecole sono tutte uguali indipendentemente da come sono disposte, macroscopicamente il cristallo è sempre uguale) e, trovandosi a 0 Kelvin, l'energia vibrazionale, traslazionale e rotazionale delle particelle che lo compongono è nulla, per cui, dalla legge di Bolzmann S = k ln(1) = 0 dove 1 sono i complessiomi (in questo caso uno solo).