Trasformazioni termodinamiche

Trasformazioni termodinamiche

Quando il sistema evolve da uno stato iniziale all’equilibrio a uno stato finale in cui, nonostante la variazione dei parametri di stato, il sistema è comunque all’equilibrio, significa che esso è passato da un equilibrio a un altro.
Questo passaggio si definisce “trasformazione termodinamica”.
Esistono 4 tipi di trasformazione:
Isobara: a pressione costante;
Isocora: a volume costante;
Isoterma: a temperatura costante;
Adiabatica: senza dispersione di calore. Non avvengono scambi di calore con l’esterno mentre il sistema evolve. Nonostante questo, i parametri di stato variano tutti dallo stato iniziale a quello finale!
Possono essere ulteriormente suddivise in:
Reversibili: definite così quando avvengono tramite una successione di stadi all’equilibrio che rendono la trasformazione invertibile.
Irreversibili: definite così quando avvengono con stati intermedi che però non sono in equilibrio termico (es.: le trasformazioni spontanee o troppo repentine/brusche), per cui non sono invertibili. In natura esistono solo trasformazioni irreversibili a causa della presenza di attrito. Esse però possono essere quasi reversibili, in laboratorio, rallentando gli stati intermedi nonché l’intera trasformazione. Prendono così il nome di “trasformazioni quasi statiche”.

Esempio pratico

Supponiamo di avere un recipiente, contenente un gas reale, sul quale appoggiamo un pistone libero di muoversi. Sottoponiamo il gas a una trasformazione isoterma e aggiungiamo sul pistone una massa notevole (grigia in figura), la pressione esercitata sul gas aumenterà bruscamente. Se provassimo a togliere la massa e lasciassimo risalire il pistone, noteremmo che il pistone non ritornerà mai alla sua posizione iniziale e la pressione esercitata sul gas in condizioni di equilibrio non potrà essere ripristinata perché la trasformazione è avvenuta troppo rapidamente, per cui per attrito avremo un’eccessiva quantità di energia dissipata; parleremo quindi di una trasformazione irreversibile e quindi non statica.
Per ottenere una trasformazione quasi statica invece, non aggiungiamo direttamente una massa molto grande ma piccole masse in maniera graduale (come se volessimo simulare i vari stadi all’equilibrio di una trasformazione reversibile). Aggiungendo le piccole masse sul pistone in maniera graduale, anche la pressione subirà piccole variazioni dopo certi intervalli di tempo (per questo segniamo P + dP come pressione finale del recipiente durante il secondo stadio) fino ad arrivare alla stessa pressione dello stadio finale della trasformazione non statica (ovvero 2P). In questo modo la differenza tra la condizione finale e quella iniziale sarà veramente minima ed è minima, per cui trascurabile, anche l’energia dissipata nel corso della trasformazione. Provando quindi ad effettuare anche in questo caso la reazione inversa (togliendo a poco a poco le varie piccole masse) si avrà una situazione non perfettamente identica ma quasi o comunque molto vicina alla condizione di equilibrio iniziale: il volume del gas dopo la trasformazione inversa avrà un valore molto vicino a quello del volume iniziale.
Quando lo stato iniziale del sistema coincide con quello finale si ha una trasformazione ciclica.