Concetti Chiave
- La termodinamica studia i processi che trasformano calore in lavoro meccanico e viceversa, stabilendo un'equivalenza tra le due grandezze.
- Il principio zero afferma che se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo, allora sono in equilibrio anche tra loro.
- Il primo principio della termodinamica stabilisce che il calore assorbito è uguale alla somma della variazione dell'energia interna e del lavoro compiuto dal sistema.
- Le trasformazioni possono essere classificate in isocore, isobare, isoterme e adiabatiche, ognuna con espressioni specifiche per calore e lavoro.
- L'energia interna è una funzione di stato dipendente solo dalla temperatura e non dal percorso del sistema tra stati iniziale e finale.
Termodinamica, definizioni di base per un ripasso
La termodinamica si occupa di tutti quei processi che consentono di ricavare lavoro meccanico a partire dal calore e viceversa.Il principio zero della termodinamica afferma che due corpi entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo, sono in equilibrio termico anche fra di loro.
Dalla possibilità di trasformare il calore in lavoro e viceversa, Joule ricavò l’equivalenza tra le due grandezze, trovando che 1 cal (unità di misura del calore) corrisponde a 4,186 J (unità di misura del lavoro). L’energia interna U di un sistema è la somma di tutte le energie, di tipo sia cinetico sia potenziale, possedute dagli elementi che formano il sistema.
Per il calore e il lavoro si utilizzano le seguenti convenzioni:
Q positivo se il calore entra nel sistema, Q negativo se il calore esce dal sistema;
L positivo se il lavoro è svolto dal sistema, L negativo se il lavoro è svolto sul sistema.
La variazione dell’energia interna ∆U è data dalla somma algebrica di calore e lavoro: ∆U = Q – L
Il primo principio della termodinamica afferma che durante una trasformazione termodinamica, indipendentemente dal modo con il quale la si realizza, il calore assorbito dal sistema è uguale alla somma tra la variazione della sua energia interna ΔU e il lavoro L compiuto dal sistema: Q = ΔU + L
L’energia interna è una funzione della sola temperatura: U = U (T)
Inoltre, dal momento che la sua variazione non dipende dal particolare tipo di percorso che viene compiuto dal sistema per andare da uno stato iniziale 1 a uno stato finale 2, ma esclusivamente dai due stati in questione, allora si dice che l’energia interna U è una funzione di stato.
Una trasformazione quasi statica è una trasformazione durante la quale il sistema si trova in ogni momento molto prossimo alle condizioni di equilibrio, in modo tale da poter essere individuato tramite le coordinate termodinamiche (p, V, T).
Il lavoro in una trasformazione quasi statica è dato da: ΔL=p ΔV
La sua espressione nei diversi casi diventa:
- trasformazione isocora: V = costante, il lavoro è nullo: L=0
- trasformazione isobara: p = costante, il lavoro è L=p(Vf-Vi)
- trasformazione isoterma: T = costante, il lavoro varia in modo logaritmico: L= nRT ln (Vf/Vi)
- trasformazione adiabatica: Q =0, il lavoro è proporzionale al salto termico da: L= nR/(γ-1) Δ T
Indicando con C_V la capacità termica a volume costante di un gas perfetto, allora la sua energia interna può essere scritta come ΔU = C_V ΔT e il primo principio della termodinamica diventa: Q = C_V ΔT + pΔV
La relazione tra capacità termica a pressione costante e quella a volume costante è lineare ed ha la seguente forma:
C_p=C_V+nR
Nelle varie trasformazioni, si hanno diverse dunque differenti espressioni del calore:
- trasformazione isocora: V = costante comporta Q=C_V Δ T
- trasformazione isobara: p = costante, comporta Q=C_p Δ T
- trasformazione isoterma: T = costante, comporta Q=L
- trasformazione adiabatica: non c’è scambio termico, comporta Q =0
Domande da interrogazione
- Qual è il principio zero della termodinamica?
- Come si esprime la variazione dell'energia interna di un sistema?
- Cosa afferma il primo principio della termodinamica?
- Come si calcola il lavoro in una trasformazione isobara?
- Qual è la relazione tra capacità termica a pressione costante e a volume costante?
Il principio zero della termodinamica afferma che se due corpi sono entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo, allora sono in equilibrio termico anche fra di loro.
La variazione dell'energia interna ∆U è data dalla somma algebrica di calore e lavoro: ∆U = Q – L.
Il primo principio della termodinamica afferma che il calore assorbito dal sistema è uguale alla somma tra la variazione della sua energia interna ΔU e il lavoro L compiuto dal sistema: Q = ΔU + L.
In una trasformazione isobara, dove la pressione è costante, il lavoro è calcolato come L = p(Vf - Vi).
La relazione tra capacità termica a pressione costante (C_p) e a volume costante (C_V) è lineare ed è espressa come C_p = C_V + nR.
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