Le principali equazioni delle funzioni di stato: energia interna, entalpia, entropia, energia libera e energia di Helmholtz
Le funzioni di stato sono una parte importante della termodinamica, e le equazioni principali in cui sono coinvolte queste funzioni di stato sono fondamentali per la comprensione dei sistemi fisici. È importante consultare queste equazioni per una rapida consultazione in caso di necessità. I calcoli devono essere eseguiti nel Sistema Internazionale. Ad esempio, l’energia deve essere espressa in joule, la pressione in pascal e la temperatura in kelvin.
Energia interna U
L’energia interna di un sistema è la somma dell’energia potenziale e cinetica. Per piccole variazioni di questa funzione di stato si utilizzano le seguenti equazioni: dU = dq + dw = Cdt – pdV, dove dq rappresenta il calore fornito al sistema, dw è il lavoro compiuto dal sistema, C è il calore specifico e dT è la variazione di temperatura. Per un volume costante, l’equazione diventa dU = C_v dT, dove C_v è il calore specifico a volume costante.
Entalpia H
L’entalpia esprime la quantità di energia che un sistema può scambiare con l’ambiente. L’equazione principale è H = U + pV. Per piccole variazioni di entalpia a pressione costante, si utilizza l’equazione dH = C_p dT, dove C_p è il calore specifico a pressione costante.
Entropia S
L’entropia è una misura del grado di disordine del sistema. Durante un processo irreversibile, l’entropia del sistema non diminuisce mai e, in un sistema isolato, aumenta. Per processi irreversibili, l’equazione diventa dS ≥ dQ/T, mentre per processi reversibili diventa dQ = T dS. In condizioni spontanee per un sistema non all’equilibrio, l’equazione diventa dQ < TdS.
Energia libera di Gibbs G
L'energia libera di Gibbs è utilizzata per definire lo stato di equilibrio di un sistema. L'equazione principale è G = H – TS = U + pV – TS. Per processi spontanei non reversibili, dG < 0, mentre all'equilibrio dG = 0. A pressione e temperatura costante, l'equazione diventa dG = dQ – TdS.
Energia di Helmholtz
L'energia di Helmholtz è definita dalla relazione A = U – TS. La variazione dell'energia di Helmholtz in un processo reversibile a temperatura costante è uguale al lavoro fornito al sistema, ovvero ΔA = W. In un processo non isotermo, la variazione dell'energia di Helmholtz è data da ΔA = ΔU – T(S2 – S1) = ΔU – TS2 + TS1.