Principi della termodinamica

Principi fondamentali della termodinamica

I principi della termodinamica costituiscono le leggi che regolano le grandezze fisiche quali temperatura, energia e entropia, che caratterizzano i sistemi termodinamici. La termodinamica studia i fenomeni energetici, in particolare il calore e il lavoro.

Calore e lavoro nel primo principio della termodinamica

Calore e lavoro rappresentano le forme di energia coinvolte negli scambi energetici dei sistemi. In una trasformazione aperta, la differenza tra queste due forme di energia, indicata come Q – L = ΔU, implica una variazione dell’energia interna del sistema. La formulazione matematica del primo principio della termodinamica per le trasformazioni aperte viene rappresentata da questa equazione, in cui compare U, l’energia interna del sistema.

Energia interna dei sistemi termodinamici

L’energia interna di un sistema è la somma delle energie cinetica e potenziale associate alle particelle che costituiscono il sistema. Questa energia è una funzione di stato, il che significa che la sua variazione dipende solo dagli stati iniziale e finale del sistema, indipendentemente dal percorso seguito durante la trasformazione. In una trasformazione ciclica, la variazione dell’energia interna è uguale a zero, poiché lo stato iniziale coincide con quello finale.

L’energia interna è quindi una quantità costante durante una trasformazione ciclica, ma può variare durante altre trasformazioni.

Principio di conservazione dell’energia

Il primo principio della termodinamica è anche noto come principio di conservazione dell’energia. Esso afferma che l’energia totale di un sistema e dell’ambiente esterno rimane costante, anche se può subire variazioni di forma. In altre parole, l’energia non può essere creata né distrutta, ma può solo trasformarsi da una forma all’altra.

Primo principio e trasformazioni dei gas perfetti

Il primo principio della termodinamica può essere esplicitato per le trasformazioni di un gas perfetto. Ad esempio, in una trasformazione isoterma e reversibile, l’equazione che rappresenta l’equilibrio termodinamico è dQ = pdV.

Secondo principio della termodinamica e macchine termiche

Il secondo principio della termodinamica sancisce che non è possibile trasformare completamente il calore assorbito in lavoro meccanico. Inoltre, afferma che un processo naturale non può avvenire se il suo unico effetto è il trasferimento di calore da un corpo più caldo a uno più freddo.

Enunciati del secondo principio della termodinamica

Il secondo principio della termodinamica si esprime anche attraverso l’affermazione che per convertire l’energia termica in energia meccanica sono necessarie due sorgenti di calore: una a temperatura maggiore e l’altra a temperatura minore. Per ottenere energia meccanica, è necessario collegare tali sorgenti attraverso una macchina termica.

Rendimento e lavoro utile

La produzione di lavoro utile da parte di una macchina è sempre inferiore alla quantità totale di energia coinvolta. Il rendimento η della macchina, calcolato come rapporto tra il lavoro utile e la quantità di energia coinvolta per produrlo, è sempre inferiore a uno. Il rendimento rappresenta quindi la frazione di energia termica che può trasformarsi in lavoro utile.

Conclusioni

La termodinamica è un ramo fondamentale della fisica che studia i principi energetici e le trasformazioni dei sistemi fisici. I principi della termodinamica forniscono le basi teoriche per comprendere e analizzare una vasta gamma di fenomeni nel mondo fisico.Il Rendimento dell’energia di quota e il suo rapporto con il Lavoro Utile

Carnot, affrontando il problema delle macchine termiche, trasferì le sue conoscenze dalle macchine idrauliche, trovando un’analoga relazione tra le due. Il lavoro prodotto dalla macchina idraulica è calcolato dalla formula
L = mg(h2–h1), dove m rappresenta la massa dell’acqua coinvolta nel processo, g è l’accelerazione di gravità e h2–h1 è la variazione di quota.

Secondo Carnot, la macchina termica si comporta in modo analogo, facendo sì che il lavoro ottenibile teoricamente sia dato da
L = Q (T2–T1), dove Q è la quantità di calore posseduta dalla sorgente più calda e T2–T1 è la variazione di “quota termica”.

Il rendimento di una macchina termica è dato dal rapporto tra il lavoro teoricamente ottenibile e il lavoro massimo possibile, e risulta essere sempre minore di 1, come indicato dalla formula η = 1 – T1/T2.

La maggior parte dell’energia in diverse macchine non viene trasformata in lavoro utile, come dimostrato dalla tabella di rendimento percentuale di alcune macchine.

La macchina termica sfrutta il passaggio di calore da una sorgente a temperatura maggiore a una a temperatura minore, simile al concetto di energia potenziale. Questo concetto si applica anche nella pila Daniell, in cui il trasferimento di elettroni avviene a cascata, e perfino nel corpo umano, considerato come una macchina biochimica che scambia energia e materia con l’ambiente.

Il terzo principio della termodinamica correla l’entropia di un sistema alla sua temperatura assoluta. Il suo enunciato afferma che ogni sostanza pura ha un valore positivo di entropia che diviene zero allo zero assoluto quando si trova in uno stato di solido cristallino perfetto. Questo principio può essere espresso matematicamente come lim S = 0, T→ 0.

Il terzo principio della termodinamica ha conseguenze significative, ad esempio, la variazione di entropia di un sistema a pressione costante può essere calcolata grazie alla relazione con la capacità termica a pressione costante.

Concludendo, il terzo principio della termodinamica svolge un ruolo fondamentale nella relazione tra calore e altre forme di energia. Per approfondire l’argomento di termodinamica e energia interna, si consiglia la lettura di questo articolo.

[Link1](https://chimica.today/termodinamica/energia-interna/), [Link2](https://chimica.today/chimica-fisica/il-secondo-principio-della-termodinamica-e-le-macchine-termiche/), [Link3](https://chimica.today/chimica-fisica/terzo-principio-della-termodinamica/)