Termodinamica

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Introduzione

Termodinamica Branca della fisica che studia le trasformazioni dei sistemi macroscopici a seguito di uno scambio di energia con altri sistemi o con l’ambiente. I principi della termodinamica sono di importanza fondamentale in ogni campo della scienza e della tecnica.

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Variabili e sistemi termodinamici

La termodinamica si basa sul concetto di sistema macroscopico (o sistema termodinamico), identificato con una porzione di materia geometricamente definita, coesistente con un ambiente infinito e imperturbabile. Lo stato di un sistema macroscopico in equilibrio è specificato dal valore che assumono determinate grandezze, come temperatura, pressione e volume, dette variabili termodinamiche o variabili di stato. Altre variabili, quali ad esempio la densità, il calore specifico, il coefficiente di compressibilità e di dilatazione termica, possono essere determinate e correlate per fornire una descrizione più completa del sistema e dell’ambiente circostante.

Quando un sistema macroscopico passa da uno stato di equilibrio a un altro si dice che ha luogo una trasformazione termodinamica. Alcune trasformazioni sono reversibili, altre irreversibili. I principi della termodinamica, scoperti nel XIX secolo, regolano tutte le trasformazioni termodinamiche e ne fissano i limiti.

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Principio zero della termodinamica

I termini delle scienze empiriche vengono spesso mutuati dal linguaggio comune: è il caso del termine “temperatura”. Benché di immediata comprensione, in ambito scientifico si rende necessario poterne dare una definizione precisa, pure se di tipo empirico: a questo provvede il cosiddetto principio zero della termodinamica. Quando due sistemi interagenti sono in equilibrio condividono alcune proprietà, che possono essere misurate e fatte corrispondere a un preciso valore numerico: la temperatura è una di queste. Il principio zero della termodinamica definisce appunto la temperatura come la variabile condivisa da due sistemi – isolati adiabaticamente dall’esterno – in equilibrio termico fra loro, ciascuno a sua volta in equilibrio termico con un terzo, che funge da riferimento.

Qualunque sistema, posto in contatto con un ambiente idealmente infinito e a temperatura fissata, si porterà in equilibrio con quest’ultimo, e dunque raggiungerà la medesima temperatura dell’ambiente. Il cosiddetto ambiente infinito è un’astrazione matematica, chiamata riserva di calore; in realtà è sufficiente che l’ambiente sia abbastanza grande rispetto al sistema sotto indagine e che siano trascurabili le variazioni delle variabili termodinamiche che ne specificano lo stato.

La temperatura si misura con strumenti, detti termometri, che operano sfruttando gli effetti della temperatura stessa su proprietà fisiche direttamente misurabili. Definiti due valori di temperatura facilmente identificabili e riproducibili, come i punti di fusione e di ebollizione dell’acqua pura, è possibile stabilire una scala di temperatura suddividendo la regione compresa tra i punti specificati in intervalli di uguale ampiezza. Il termometro viene così tarato, ed è pronto a misurare la temperatura di un sistema posto in contatto con esso.

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Primo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica fornisce una precisa definizione del calore, un altro termine di frequente uso comune. Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, si verifica una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, nel quale le temperature dei due corpi sono uguali. Per spiegare questo fenomeno, gli scienziati del XVIII secolo ipotizzarono l’esistenza di una sostanza, il “calorico”, che si sarebbe trasferita dal corpo più caldo a quello più freddo. Questa sostanza ipotetica era immaginata essere un fluido capace di muoversi attraverso la materia. Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore non con una sostanza materiale, ma con una forma di energia, che può essere convertita in lavoro meccanico e immagazzinata. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro o l’energia, misurati in joule, sono completamente equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,186 joule.

Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell’energia. Esso afferma che, poiché l’energia non può essere né creata né distrutta, la somma della quantità di calore ceduta a un sistema e del lavoro eseguito su di esso deve corrispondere a un aumento dell’energia interna del sistema stesso. Calore e lavoro sono le grandezze fisiche attraverso cui i sistemi si scambiano energia.

In ogni macchina termica, una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere alcuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto “moto perpetuo di prima specie”. Un’altra formulazione della prima legge della termodinamica è infatti che non esistono macchine capaci di svolgere un moto perpetuo di prima specie.