Concetti Chiave
- Il primo principio della termodinamica afferma che il calore scambiato in un processo è uguale alla differenza tra la variazione dell'energia interna e il lavoro compiuto.
- A volume costante, la variazione di energia interna è uguale al calore scambiato, poiché il lavoro è nullo.
- Quando il calore è scambiato a pressione costante, l'entalpia del sistema rappresenta la somma dell'energia del sistema e del prodotto tra pressione e volume.
- I processi reversibili sono caratterizzati da trasformazioni lente che permettono di invertire il processo senza perdite di energia, a differenza dei processi irreversibili.
- Il secondo principio della termodinamica stabilisce che non è possibile convertire completamente il calore in lavoro, illustrato dagli enunciati di Kelvin e Clausius.
Indice
Formulazione e spiegazione dei principi della termodinamica
Primo principio della termodinamica
Il primo principio della termodinamica è una particolare formulazione del principio di conservazione dell’energia.Il calore che interviene in un processo termodinamico risulta uguale alla differenza tra la variazione dell’energia interna e il lavoro compiuto:
delta e (variazione di energia) - l (lavoro) = q (calore)
Formulazione matematica del primo principio della termodinamica
delta e = q + l
Calore scambiato a volume costante
delta e = q + ll = -P * delta V
- l = P * delta V
delta e = q - P * delta V
Se la trasformazione avviene a volume costante, delta V = 0. Segue che:
delta e = q
La variazione di energia è uguale alla quantità di calore.
Calore scambiato a pressione costante
delta e = q - lq = delta e + p * delta v
delta e = e v - e a
delta v = v v - v a
q = e v - e a + p (v v - v a)
q = e v - e a + pvv - pva
la somma fra l’energia del sistema in un determinato punto e il prodotto fra la pressione ed il volume del sistema stesso in quello stesso punto è uguale ad H e prende il nome di entalpia.
q = (e b + pvb) - e a + pva
e b + pvb = hp
e a + pva = h a
q = h p - h a
p = delta H
q con p = delta a H
Secondo principio della termodinamica
Processi reversibili e processi irreversibili
Un processo si dice reversibile quando:
- la trasformazione è condotta a lentezza infinita, in modo che si susseguano tanti stati di equilibrio;
- è possibile in ogni momento invertire il senso del processo, ripercorrendo gli stessi punti di equilibrio del processo di andata.
Tutti i processi naturali spontanei sono irreversibili.
Supponiamo di avere un gas compresso in un recipiente che, tramite un rubinetto, è collegato ad un altro recipiente vuoto. Aprendo la valvola v che collega i due recipienti, il gas si espande spontaneamente fino a quando non si raggiunge la stessa pressione nei due serbatoi. Andiamo a ristabilire le condizioni iniziali: servendoci di un pistone e compiendo un certo lavoro di compressione riportiamo il gas nel primo recipiente. Il gas, per compressione, si riscalda. Supponiamo di prelevare questo calore sviluppato dal gas per trasformarlo in lavoro: il lavoro ottenuto sarà minore del lavoro speso.
Mentre è possibile trasformare le varie forme di energia in calore, non è possibile trasformare il calore in lavoro perché si avranno sempre delle perdite. Questa è la base del secondo principio della termodinamica, che può essere enunciato in due modi:
enunciato di Kelvin: è impossibile costruire una macchina termica che assorbendo calore fornisca una quantità di lavoro equivalente al calore assorbito;
enunciato di Clausius: è impossibile costruire una macchina capace di produrre trasferimento di calore da un corpo più freddo ad un corpo più caldo senza spendere lavoro.
Domande da interrogazione
- Qual è il primo principio della termodinamica?
- Come si esprime matematicamente il primo principio della termodinamica?
- Cosa accade al calore scambiato a volume costante?
- Come si definisce l'entalpia nel contesto del calore scambiato a pressione costante?
- Qual è la differenza tra processi reversibili e irreversibili secondo il secondo principio della termodinamica?
Il primo principio della termodinamica è una formulazione del principio di conservazione dell'energia, dove il calore in un processo termodinamico è uguale alla differenza tra la variazione dell'energia interna e il lavoro compiuto.
La formulazione matematica del primo principio della termodinamica è delta e = q + l, dove delta e è la variazione di energia, q è il calore, e l è il lavoro.
A volume costante, la variazione di energia è uguale alla quantità di calore, poiché delta V = 0, quindi delta e = q.
L'entalpia è definita come la somma tra l'energia del sistema in un determinato punto e il prodotto tra la pressione e il volume del sistema stesso, espressa come H = e + pv.
Un processo è reversibile se può essere invertito ripercorrendo gli stessi stati di equilibrio, mentre i processi naturali spontanei sono irreversibili e non possono essere invertiti senza perdite di energia.
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