Lezione di Termodinamica

Termodinamica

La termodinamica è la scienza che studia il trasferimento di energia e le sue trasformazioni.

Sistema termodinamico

Un sistema termodinamico è un sistema macroscopico costituito da una grande quantità di atomi/molecole, chimicamente definito e delimitato da una superficie che lo separa dall’intorno. Ognuna di queste particelle ha tutte le caratteristiche che si hanno in cinematica, ma essendo in grande quantità si considerano i parametri e le variabili macroscopiche: temperatura, pressione, e volume oltre allo stato di aggregazione.

Tipi di sistemi

• Sistema chiuso – Scambia energia ma non materia con l’esterno.
• Sistema aperto – Scambia energia e materia con l’esterno.
• Sistema isolato – Non scambia né energia né materia con l’esterno.
• Sistema adiabatico – Non scambia calore con l’ambiente esterno.

Sistema in equilibrio

Un sistema in equilibrio si ha quando i parametri termodinamici (stato di aggregazione, pressione, volume, temperatura) non variano nel tempo. Ad ogni macrostato (parametri di equilibrio dinamico, cinematico, termico, chimico, fisico) corrispondono moltissimi microstati (stato in cui sono definite esattamente le proprietà dinamiche di ogni singola molecola del sistema).

L'equilibrio termico è descritto per mezzo di un limitato numero di grandezze/parametri: variabili di stato. I valori che assumono per un determinato stato di equilibrio sono caratteristici di esso e non dipendono da come è stato raggiunto. In una coppia di variabili abbiamo sempre una estensiva (cambia a seconda del corpo, es. massa) e una intensiva (dipende dalle proprietà e dallo stato del corpo, es. temperatura).

Temperatura

La temperatura è la grandezza fisica che fornisce una misura di quanto un corpo sia caldo o freddo. È legata al volume, infatti solitamente questo aumenta con l’aumentare della temperatura. L’unità di misura è il Kelvin (K), dove lo zero della scala Kelvin è lo zero assoluto, il punto in cui cessa l’agitazione termica. Sulla scala Celsius, lo zero assoluto corrisponde a -273,15°C, mentre lo 0°C corrisponde alla temperatura di fusione del ghiaccio.

Un termometro utilizza come principio di funzionamento la capacità dei liquidi di dilatarsi all’aumento della temperatura.

Calore

Il calore è la quantità di calore ceduta o assorbita da un sistema. La quantità di calore è definibile come la media statistica dei processi di collisione tra particelle costituenti i sistemi durante il trasferimento di energia meccanica da un sistema termodinamico all’altro. Gli atomi/molecole costituenti il sistema sono dotati di energia cinetica (moto di agitazione termica; nei liquidi/gas è traslazionale e cambia continuamente direzione; nei solidi sono vibrazioni attorno alle posizioni di equilibrio). Le particelle, oltre a interagire tra loro, interagiscono anche con quelle del contenitore, dando origine a energia potenziale o di legame.

L’energia interna (U) è quella posseduta a livello microscopico, ed è la somma delle energie cinetiche e potenziali dei singoli costituenti. È definita se è definito il macrostato del sistema (volume, temperatura, pressione).

Se due corpi vengono messi a contatto, avviene la termalizzazione, ovvero il trasferimento di energia interna da un corpo all’altro. Il calore passa spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo senza lavoro meccanico.

Il calore ha una propria unità di misura: la caloria (cal), che è la quantità di calore che, quando viene assorbita da 1 grammo d’acqua a 14,5°C, produce un aumento di temperatura pari a 1°C.

Il calore specifico è quello che devo somministrare a 1g di sostanza per aumentare la sua temperatura di 1 grado. La formula è Q = c * m * ΔT, dove Q è il calore ceduto/assorbito. Ogni sostanza ha quindi un suo calore specifico, che è una proprietà intensiva e varia lievemente con la temperatura. La capacità termica è il calore che devo fornire a un corpo per innalzare la sua temperatura di 1°C; C = c * m.

Lavoro in termodinamica

Oltre all’energia cinetica del sistema termodinamico, abbiamo anche l’energia potenziale data dall’interazione tra particelle. Considerando l’energia interna (U), essa è la somma di tutte le energie potenziali e cinetiche medie. È definibile da parametri macroscopici ed è definita se si definisce il macrostato. L’energia interna è una funzione di stato, dipende solo da quello termodinamico e dipende solo dall’energia interna iniziale e finale. La variazione di energia interna è data dalla formula dU = jQ - L, dove il lavoro è negativo perché... (continua)