Trasformazioni Termodinamiche: Reversibili e Irreversibili

Le trasformazioni termodinamiche possono essere classificate in reversibili e irreversibili, in base alla possibilità di invertire la direzione della trasformazione per riportare il sistema al suo stato iniziale. I sistemi in cui le proprietà variano nel tempo a seguito di cambiamenti di temperatura, volume, pressione e composizione comportano sfide significative nella descrizione del loro stato. La descrizione termodinamica si applica solo ai sistemi in equilibrio con l’ambiente circostante, in quanto non cambiano nel tempo.

Tuttavia, il limite della termodinamica si manifesta quando i sistemi attraversano stati di non equilibrio durante le trasformazioni. È come se fosse impossibile determinare la posizione di un treno in qualsiasi momento, anche se il punto di partenza è noto, senza informazioni sul percorso. Affinché una trasformazione abbia significato termodinamico, lo stato del sistema deve essere conosciuto in ogni istante della trasformazione, il che si verifica solo se il sistema è in equilibrio con l’ambiente circostante.

Trasformazioni Irreversibili

Per verificare questa condizione si ricorre a un meccanismo ideale di trasformazione detto quasi statico o irreversibile, in cui la trasformazione avviene in modo infinitamente lento, cosicché il sistema si trovi in equilibrio con l’ambiente esterno in ogni istante della trasformazione.

Trasformazioni Reversibili

Una trasformazione reversibile è una successione continua di stati di equilibrio del sistema, dove ciascuno differisce impercettibilmente dal precedente o dal successivo. Il sistema può percorrere indifferentemente sia in una direzione che in quella inversa, a differenza delle trasformazioni reali, che sono spontanee e irreversibili.

Ad esempio, la reazione tra idrogeno e ossigeno per formare acqua è un esempio di trasformazione irreversibile. Anche se le trasformazioni reversibili non si verificano nella realtà, lo studio dei processi irreversibili secondo i metodi termodinamici fornisce un modo matematico per calcolarne le variazioni delle proprietà dei sistemi termodinamici.

Funzioni di Stato

Le funzioni di stato, come l’energia interna, l’entalpia, l’entropia e l’energia libera, dipendono solo dai parametri di stato (pressione, temperatura, numero di moli) dal quale derivano. Questi valori sono determinati unicamente dai valori assunti dai parametri e dipendono esclusivamente dai valori delle funzioni di stato nello stato iniziale e finale del sistema.

Se un sistema torna allo stesso stato iniziale dopo una trasformazione, le variazioni dei parametri di stato e delle funzioni di stato sono sempre zero. Questa particolare caratteristica delle funzioni di stato, in cui le variazioni hanno lo stesso valore numerico indipendentemente dal tipo di trasformazione, costituisce il fondamento su cui si basa la termodinamica per studiare le trasformazioni dei sistemi termodinamici. Pertanto, è possibile utilizzare le trasformazioni reversibili per calcolare le variazioni delle funzioni di stato, anche se la trasformazione reale è irreversibile.

In conclusione, le trasformazioni termodinamiche rappresentano un elemento essenziale per comprendere le dinamiche dei sistemi fisici ed è fondamentale distinguere tra trasformazioni reversibili e irreversibili per valutare i cambiamenti dei sistemi nel corso di diverse trasformazioni.