Fisica generale I - Termodinamica

Studio della termodinamica

La termodinamica studia i fenomeni termici e la loro relazione con i fenomeni meccanici, e in generale con altre forme di energia. Ogni qualvolta si dissipa energia meccanica si riscontra infatti sperimentalmente che si hanno fenomeni di riscaldamento dove le forze dissipative si manifestano. Si osserva sperimentalmente che due corpi in stati termici diversi, se posti a contatto, raggiungono lo stesso stato termico, detto di equilibrio termico. Il principio zero della termodinamica afferma che se due corpi A e B sono in equilibrio termico con un terzo corpo C, allora sono anche in equilibrio termico tra loro.

Sistemi termodinamici

Un sistema abbastanza grande da essere osservato con i nostri sensi è detto macroscopico. I sistemi macroscopici vengono descritti attraverso variabili termodinamiche e parametri di stato, come il volume, la temperatura, la densità. In questo caso un sistema macroscopico viene detto termodinamico. Un sistema termodinamico viene detto chiuso quando non scambia materia con l'ambiente, mentre viene detto isolato quando non scambia né materia né energia con l'ambiente. Gli oggetti con cui un sistema scambia energia sono detti sorgenti.

Equilibrio termodinamico

Un sistema termodinamico le cui variabili di stato non cambiano nel tempo è detto stazionario. Esso si dice in equilibrio termodinamico se:

• È in equilibrio meccanico (F_int = F_ext).
• È in equilibrio termico (tra le varie parti del sistema e con l'ambiente).
• È in equilibrio chimico (non sono in corso reazioni che alterano la composizione del sistema).

Un sistema termodinamico, se lasciato isolato per un tempo sufficientemente lungo, raggiunge uno stato di equilibrio termodinamico. Per sistemi di grandi dimensioni questo non esclude disuniformità dei valori di stato (es. pressione, altro).

Trasformazioni termodinamiche

Una trasformazione termodinamica rappresenta il cambiamento di stato all'interno di un sistema termodinamico. Queste possono rientrare in categorie particolari:

• Trasformazioni tra stati di equilibrio: portano un sistema da uno stato iniziale ad uno finale che sono entrambi di equilibrio. Anche in un sistema isolato in stato di equilibrio permangono in esso. Queste trasformazioni non possono avvenire in sistemi isolati. Nel passaggio tra stati, un sistema potrebbe non essere in equilibrio termodinamico.
• Trasformazioni dirette: con uno stato iniziale e finale coincidenti.
• Trasformazioni quasistatiche: durante le quali il sistema passa solo attraverso stati di equilibrio. Nella realtà non esistono, ma sono un utile strumento di approssimazione teorica per associare valori intermediari del sistema durante tutta la trasformazione.
• Trasformazioni reversibili: dove è possibile eseguire una trasformazione "a ritroso" che riporta il sistema nello stato iniziale, con le equivalenti condizioni simmetriche.

In una trasformazione irreversibile i vincoli e le condizioni imposte non permettono di avere processi inversi realizzativi e il calore scambiato tra i sistemi esterni recupera l'energia spesa. In realtà, le trasformazioni di qualunque sistema comportano qualche grado di irreversibilità; in mancanza di successivi stati di equilibrio, subentrano effetti dissipativi trasformando in equilibrio quasi il sistema, mentre in un sistema isolato si porta verso uno stato di equilibrio. Una trasformazione spontanea non è quasistatica.

Parametri di stato

I parametri di stato che descrivono una trasformazione si dividono in intensivi ed estensivi. I parametri intensivi caratterizzano proprietà locali del sistema e il loro valore puntuale si ottiene facendo tendere a zero il volume di una regione appartenente al sistema (es. pressione, temperatura). I parametri estensivi caratterizzano proprietà globali, come il volume, la massa e l'energia. Spesso per i parametri estensivi si usano particolari quantità specifiche rispetto a una massa o al volume, e le grandezze molari per quantità di sostanza, introducendo la massa.

La termodinamica studia i fenomeni termici e la loro relazione con i fenomeni meccanici, e in generale con altre forme di energia. In ogni caso in cui si dissipa energia meccanica, si riscontra infatti sperimentalmente che si hanno fenomeni di riscaldamento dove le forze dissipative si manifestano. Si osserva sperimentalmente che due corpi in stati termici diversi, se posti a contatto, raggiungono lo stesso stato termico, detto di equilibrio termico. Il principio zero della termodinamica afferma che se due corpi A e B sono in equilibrio termico con un terzo corpo C, allora sono anche in equilibrio termico tra loro. Un sistema abbastanza grande da essere osservato con i nostri sensi è detto macroscopia. I sistemi macroscopici vengono descritti attraverso variabili termodinamiche.