Domande e risposte Termodinamica

Significato fisico della temperatura

La temperatura è la grandezza fisica che fornisce la misura dello stato termico di un corpo e di conseguenza fornisce la capacità del corpo di scambiare calore con altri corpi o con l'ambiente. La temperatura è una delle 7 grandezze fondamentali che costituiscono la base del Sistema Internazionale di unità di misura. Esistono varie scale termometriche, le più note proposte sono: la scala Fahrenheit (1714), la scala Celsius (1742) e la scala Kelvin (1848).

Fahrenheit fissò il punto zero di questa scala (0°F) alla temperatura alla quale un’eguale mistura tra acqua, ghiaccio e sale si scioglie, che era la temperatura più bassa raggiungibile a quel tempo in laboratorio. Fissò inoltre il punto di 96°F che corrispondeva alla temperatura del sangue di cavallo. Tuttavia, diverse miscele di sale e la temperatura del sangue variavano da caso a caso, quindi questa scala è stata ridefinita in modo più preciso associando al punto di congelamento e a quello di ebollizione dell’acqua rispettivamente 32°F e 212°F esatti, suddividendo tale intervallo in 180°F.

La scala Celsius fissa invece il punto di congelamento dell’acqua a 0°C e il punto di ebollizione a 100°C; la scala compresa tra questi due valori è suddivisa in 100 parti uguali ed è per questo che la scala Celsius era originariamente chiamata centesimale. La relazione tra queste due scale è data da: T_F = (9/5) T_c + 32°

La scala Kelvin è diversa dalle altre perché nasce in modo diverso, infatti si basa sulla scelta di un solo punto fisso standard: il punto triplo dell’acqua. Nello specifico l'acqua liquida, il ghiaccio solido e il vapore acqueo possono coesistere in equilibrio termico ad un solo valore di pressione e temperatura. Al punto triplo dell'acqua è stato attribuito a una temperatura di 273,16 K. Se indichiamo con T_c la temperatura misurata con la scala Celsius allora: T_c = T – 273,15°

Questa è la scala usata dai fisici per la misura della temperatura, l'unità di misura è il kelvin (K). La temperatura di un corpo può assumere valori elevati quanto si voglia ma non può essere abbassata all'infinito, il limite minimo è stato fissato pari allo 0 della scala Kelvin: zero assoluto (0 K).

Dilatazione termica

La dilatazione termica è un fenomeno fisico che si realizza quando un corpo aumenta di volume all'aumentare della temperatura. Tale aumento è causato dalla variazione dell'oscillazione degli atomi attorno al punto di equilibrio. Non è sempre un effetto desiderabile (vedi binari ecc).

Distinguiamo la dilatazione termica lineare da quella volumica. Per la prima si trova che la variazione della sua lunghezza Δl a seguito di una variazione di temperatura ΔT può essere espressa da una relazione lineare del tipo: Δl = αlΔT con α = coefficiente di dilatazione termica lineare che dipende dal materiale e ha come unità di misura K^-1 o °C^-1.

La legge di dilatazione lineare è fenomenologica, diventa inesatta per valori molto elevati della variazione di temperatura e cessa completamente di valere quando il solido inizia a fondere.

Per quanto riguarda la dilatazione volumica, possiamo dire che se tutte le dimensioni di un solido si dilatano con la temperatura anche il volume di quel solido si espande. Quindi vale: ΔV = βVΔT con β = coefficiente di dilatazione termica volumica (per un solido omogeneo vale che β = 3α).

Parliamo di dilatazione termica volumica anche nel caso di un liquido, per cui vale la stessa relazione del caso dei solidi, ma, in questo caso, il valore del coefficiente di dilatazione volumica è da 10 a 100 volte maggiore di quello relativo ai solidi.

Importanza delle trasformazioni quasi statiche e tipi di trasformazioni termodinamiche

Si verifica una trasformazione termodinamica quando vengono meno le condizioni di equilibrio termodinamico di un sistema. Le trasformazioni possono essere irreversibili se non è possibile riportare il sistema allo stato iniziale oppure reversibili se il sistema può essere riportato allo stato iniziale in modo che anche l'ambiente torni allo stato iniziale. Tutti i processi reali hanno un certo grado di irreversibilità.

Perché si possa realizzare una trasformazione reversibile è necessario che la trasformazione sia quasi-statica e che durante la trasformazione non agiscano forze dissipative (impossibile in natura). Per avere una trasformazione termodinamica il sistema deve essere squilibrato e per studiarlo è necessario approssimare la trasformazione in modo che avvenga molto lentamente (al limite in tempo infinito), così il sistema ha la possibilità di riaggiustarsi continuamente e raggiungere stati che possono essere considerati quasi all'equilibrio.

In pratica, perché una trasformazione sia quasi-statica è necessario che il sistema abbia una pressione che differisce istante per istante di una quantità infinitesima da quella dell'ambiente circostante. (Esperimento squilibrio meccanico del contenitore con il coperchio e i pesetti)

Approssimando le trasformazioni a quasi statiche riusciamo a definire valori univoci delle coordinate termodinamiche per gli stati di equilibrio termodinamico riuscendo così a rappresentarli graficamente con una curva continua nel piano [P, V], detto piano di Clapeyron, in cui ogni punto della curva corrisponde a uno stato del sistema.

Nello specifico due stati di equilibrio termodinamico di un sistema possono essere collegati da trasformazioni di diverso tipo:

• Trasformazione a pressione costante -> Isobare
• Trasformazione a volume costante -> Isocore
• Trasformazione a temperatura costante -> Isoterme
• Trasformazione in cui il sistema è termicamente isolato -> Adiabatiche

Importanza dei gas perfetti

I gas tendono ad un comportamento comune quando la loro pressione tende a zero e la temperatura è molto maggiore di quella critica (al di sotto della quale il gas può liquefare).