Termodinamica

La termodinamica è quella branca della fisica che descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito ad un processo di scambio di energia con altri sistemi o con l'ambiente esterno.

La termodinamica classica si basa sul concetto di sistema macroscopico, ovvero una porzione di materia geometricamente determinata, in un ambiente infinito e imperturbabile. Lo stato di un sistema macroscopico che si trova all'equilibrio è specificato da grandezze dette variabili termodinamiche o di stato come la temperatura, la pressione, il volume, la composizione.

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

• sistemi isolati: non scambiano calore, materia, lavoro con l'esterno;
• 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:
  • bordo adiabatico: non permette scambio di calore;
  • bordo rigido: non permette scambio di lavoro;
• sistemi aperti: permette scambio di energia e materia con l'esterno. Un contorno che permette scambio di materia è detto permeabile.

Quando un sistema passa da uno stato 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.

Table of contents

1 I Principi della Termodinamica 1.1 Primo Principio 1.2 Secondo Principio 1.3 Terzo Principio 2 Vedi anche

I Principi della Termodinamica

I principi della termodinamica vennero scoperti nel corso del XIX secolo e regolano le trasformazioni termodinamiche, il loro procedere, i loro limiti.

Si possono distinguere tre principi di base più un principio zero che definisce la temperatura: quando due sistemi interagenti sono in equilibrio, condividono alcune proprietà, che possono essere misurate dando loro un preciso valore numerico. In conseguenza, quando due sistemi sono in equilibrio con un terzo, sono in equlibrio tra loro e la proprietà condivisa è la temperatura.

Quindi qualsiasi sistema posto in contatto con un ambiente idealmente infinito a temperatura determinata, si porterà alla temperatura dell'ambiente, ovvero in equilibrio con esso.

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 quantitа 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. E' 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.

Secondo Principio

Esistono diversi enunciati, tutti equivalenti, di questo principio 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 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 Kelvin). Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto moto perpetuo di seconda specie.

Terzo Principio

E' 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.

L'entropia si può pensare come la misura di quanto un sistema sia vicino allo stato di equilibrio, o in modo equivalente come la misura del grado di disordine di un sistema. Il terzo principio afferma che l'entropia, cioé il disordine, di un sistema isolato non può diminuire. Pertanto, quando un sistema isolato raggiunge una configurazione di massima entropia non può subire trasformazioni: ha raggiunto l'equilibrio.

Vedi anche

• Entalpia
• Entropia
• Lavoro
• Calore
• Energia
• Energia libera
• Energia libera di Gibbs
• Energia libera di Helmholtz

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