Sistema termodinamico: equilibri e processi

Cos’è un sistema termodinamico?

Un sistema termodinamico è una porzione specifica del mondo fisico costituita da un grande numero di particelle che vengono studiate per le loro proprietà fisiche macroscopiche e le variazioni che possono subire. All’esterno del sistema si trova l’ambiente circostante, e la superficie che separa il sistema dall’ambiente è chiamata confine.

Tipologie di sistemi termodinamici

Esistono tre tipi di sistemi:

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Aperto

: può scambiare energia e materia con l’ambiente circostante. Ad esempio, una tazza di caffè bollente da cui fuoriescono i vapori e il calore.

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Chiuso

: può scambiare solo energia con l’ambiente circostante, non la materia. Ad esempio, una borsa d’acqua calda che cede calore senza perdere massa.

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Isolato

: non può scambiare né materia né energia con l’ambiente circostante. Anche se un sistema perfettamente isolato è raro, un esempio concettuale potrebbe essere un refrigeratore per bevande con coperchio.

Equilibrio termodinamico

L’equilibrio termodinamico è la condizione in cui le proprietà di un sistema non variano nel tempo e possono cambiare solo a spese di altri sistemi. In uno stato di equilibrio termodinamico, le velocità delle reazioni opposte sono uguali.

Per raggiungere l’equilibrio termodinamico, è necessario che tutte le proprietà intensive come temperatura, pressione e potenziale chimico siano costanti. Le proprietà estensive, come entalpia, entropia, energia interna ed energia libera di Gibbs, devono anch’esse mantenersi stabili.

In un sistema chiuso o isolato in equilibrio termodinamico, l’entropia aumenta quando l’energia interna e il volume rimangono costanti. Al contrario, l’energia libera di Gibbs, l’energia interna e l’energia libera di Helmholtz raggiungono il valore minimo.

Processi termodinamici

I processi termodinamici sono i percorsi che portano un sistema termodinamico dal suo stato iniziale a quello finale. I tipi di processi includono:

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Isobaro

: avviene a pressione costante.

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Isocoro

: si verifica a volume costante.

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Isotermico

: avviene a temperatura costante.

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Adiabatico

: si svolge senza scambio di calore o massa tra sistema e ambiente.

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Quasi statico

: il sistema passa attraverso una successione di stati di equilibrio.

Questi processi possono essere classificati come reversibili, quando tutte le proprietà del sistema ritornano allo stato iniziale, e irreversibili, quando l’entropia aumenta e il sistema non può tornare al suo stato originale.