Termodinamica: descrizione

In questo appunto verranno affrontati i principali argomenti relativi alla termodinamico, primo e secondo principio della termodinamica e i concetti di sistema termodinamico, facendo anche esempi pratici.

Termodinamica

La termodinamica si occupa prevalentemente di scambi di energia (termodinamica etimologicamente significa movimento di calore, ovvero scambi di calore). Per valutare tali scambi si esaminano le variazioni di proprietà macroscopiche sia estensive (massa e volume), sia intensive (pressione e temperatura). La termodinamica non tiene conto della intima costituzione della materia né del tempo. La termodinamica è studiata da differenti punti di vista, non solo dal punto di vista fisico, ma anche da quello chimico. Si parla proprio di Termodinamica chimica ad esempio.
La classe della Termodinamica Chimica studia gli stati di equilibrio di un sistema chimico e le variazioni di energia associate ad una trasformazione (fisica o chimica). Prevede se una trasformazione di un sistema da uno stato ad un altro è possibile ma non descrive le proprietà del sistema durante la trasformazione o il tempo necessario per realizzarla. Si limita a porre relazioni tra le proprietà macroscopiche della materia e il suo comportamento nelle trasformazioni fisiche e chimiche.

I principi della termodinamica

E' basata su tre principi fondamentali denominati come i principi della termodinamica fondamentali. Qui di seguito vengono riportati gli enunciati e le principali caratteristiche e proprietà che derivano dia principi stessi:

• Il primo principio della termodinamica è un modo di esprimere il principio di conservazione dell’energia, ovvero che L’Energia dell’Universo è costante. Il riconoscimento e l’enunciazione del principio universale della conservazione dell’energia è dovuto principalmente a James Prescott Joules (1818 1889), birraio e appassionato di scienza. Ricordando che l’ Energia Interna di un sistema è la somma dell’energia cinetica e potenziale molecolare di tutte le particelle che lo costituiscono. L'enunciato del primo principio della termodinamica è il seguente: sistema può scambiare energia con l’ambiente mediante Calore scambiato e dal Lavoro eseguito (dal sistema o dall’ambiente). Una cosa fondamentale da ricordare è che Una variazione dell’energia del sistema è sempre accompagnata da una variazione opposta dell’energia dell’ ambiente.
• Il secondo principio della termodinamica può essere enunciato in tanti modi, per esempio come l’impossibilità di trasformare completamente il calore in lavoro, ma soprattutto a noi interessa il fatto che introduce l’entropia e lo possiamo enunciare dicendo che l’entropia è una funzione di stato. Nello specifico vi sono due versioni. La versione microscopica afferma che: un sistema isolato con molte molecole, evolverà verso il macrostato con la più grande molteplicità e quindi col massimo disordine. La versione microscopica afferma che: Esiste una funzione di stato chiamata Entropia (simbolo S) che descrive i processi spontanei . Un sistema isolato evolve per raggiungere uno stato di massima entropia.
• Il terzo principio della termodinamica è in effetti è un teorema che afferma che l’entropia allo zero assoluto per una sostanza pura è zero. In un cristallo perfetto gli atomi o gli ioni formano un reticolo regolare ed uniforme. Per
  [math]T = 0 K[/math]
  , tutto il moto termico si è smorzato, allora esiste un solo arrangiamento microscopico (molteplicità=1 ovvero l'ordine massimo).

La termodinamica serve soprattutto a sapere se un processo chimico (reazione) o fisico può avvenire o no, in altri termini se è spontaneo o non spontaneo, se è esotermico o endotermico, se sarà raggiunto uno stato di equilibrio e, nel caso di una reazione, quale sarà la composizione dei reagenti e dei prodotti all’equilibrio. Nello specifico un processo si dice Esotermico : se il calore viene emesso dal sistema verso l’ambiente. Un processo si dice Endotermico : se il calore viene assorbito dal sistema ed emesso dall’ambiente.
La termodinamica non può stabilire nè il tempo in cui avverrà una reazione spontanea, nè il tempo necessario a raggiungere uno stato di equilibrio. Lo studio delle velocità delle reazioni chimiche e dei meccanismi secondo cui si evolvono le reazioni è affidato alla Cinetica Chimica. Noi, in termodinamica, chiamiamo sistema quella parte dell’universo che vogliamo studiare, Tutto il resto è intorno del sistema, più comunemente detto ambiente.

I sistemi

La termodinamica sfrutta i concetti di sistema, ambiente e universo. Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la regione dove avviene il fenomeno.
L'Universo è l'insieme più ampio che include l'ambiente, che al sui interno include il sistema. Si può concludere attraverso un'equazione matematica semplice per schematizzare la relazione tra i tre concetti:

Il Sistema è dunque parte dell’Universo che siamo interessati a studiare. L'ambiente invece è Tutto il resto.
Un sistema si dice:

• isolato quando non può scambiare con l’ambiente nè energia nè materia;
• chiuso quando può scambiare energia, ma non materia;
• aperto quando può scambiare sia energia che materia.

Esempio di sistema isolato, aperto e chiuso

Sistema Isolato

Una certa quantità d’acqua contenuta in un recipiente isolato termicamente e tappato, così che non possa né uscire nè entrare materia. Se togliamo l’isolamento termico il sistema sarà chiuso. Infine se togliamo il tappo rendendo possibile scambi di materia, sarà aperto.

Sistema chiuso

Il contenuto di una bottiglia tappata è un sistema chiuso.

Sistema aperto

Una compressa effervescente che si scioglie in un bicchiere di acqua è un sistema aperto.

Stati di equilibrio e Funzione di stato

Il concetto di stato di equilibrio di un sistema e di funzione di stato sono alla base della termodinamica. Un sistema è in uno stato di equilibrio se le sue proprietà macroscopiche (temperatura, densità, composizione chimica) sono ben definite e non variano nel tempo.
Lo stato di un sistema è definito assegnando i valori di alcune proprietà macroscopiche: le funzioni di stato .
Una funzione di stato è una proprietà del sistema che dipende solamente dallo stato in considerazione, e non dal modo in cui tale stato viene realizzato o raggiunto.
Un esempio di funzione di stato è l’altitudine.
La pressione, il volume e la temperatura sono funzioni di stato. La variazione di una funzione di stato in una trasformazione dipende solo dallo stato iniziale e finale del sistema e non da come la trasformazione viene realizzata.

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