Primo e secondo principio termodinamica

Introduzione alla termodinamica

In termodinamica siamo soliti distinguere la porzione limitata dello spazio di cui ci interessa studiarne le proprietà, il Sistema, da tutto ciò che è esterno ad esso e il cui studio non è di nostro interesse, il Mezzo o ambiente. La superficie che racchiude il sistema isolandolo dall'ambiente prende il nome di superficie limite o contorno.

Tipologie di sistema

Un sistema può presentarsi in tre differenti tipologie:

• Isolato
• Aperto: sistema che scambia sia materia che energia. Particolare interesse avrà per noi il volume di controllo, ovvero la porzione in cui avremo che il flusso di massa entrante sarà pari a quello di massa uscente. In tal caso si dirà che il flusso è a regime.
• Chiuso: un sistema che scambia energia, ma non materia. Tale sistema riesce a scambiare energia con l'ambiente mediante due manifestazioni equivalenti dell'energia, il calore e il lavoro, le quali si manifestano rispettivamente in corrispondenza di una differenza di temperatura e di pressione.

Da tale analisi appare ovvio che mentre l'energia è posseduta dal sistema, il calore e il lavoro sono entità che si scambiano in quanto si manifestano solamente durante una trasformazione. L'unica vera differenza tra queste due entità è che mentre il lavoro può essere convertito interamente in calore, ciò non vale per il calore in quanto parte di esso sarà disperso. Per questo si dice che il calore è un'energia degradata.

Grandezze di stato

Definito il sistema siamo soliti voler individuare lo stato e ciò è possibile grazie all'individuazione delle grandezze atte a caratterizzarlo, le grandezze di stato, che hanno valori ripetibili ogni qualvolta si ripetono le stesse condizioni.

Le grandezze di un sistema possono essere:

• Estensive: grandezze dipendenti dal tempo e dall'estensione del sistema
• Intensive: grandezze indipendenti dal tempo, dalla dimensione del sistema, ma che variano di posizione in posizione. Il valore specifico delle grandezze estensive è una grandezza intensiva.

È bene precisare che il concetto di stato di un sistema è un'astrazione. Ogni sistema evolve nel tempo portando a delle variazioni delle grandezze di stato, mentre quando parliamo di stato di equilibrio intendiamo quel particolare stato in cui le grandezze di stato non mutano.

Trasformazioni

Tornando al concetto di stato, abbiamo detto che il sistema evolve e perciò le grandezze atte a caratterizzarlo mutano dai valori iniziali, cioè si traduce nell'affermazione che il sistema sta subendo una trasformazione.

Una volta avvenuta la trasformazione, il sistema e l'ambiente possono tornare alle condizioni iniziali. A volte è possibile distinguere le irreversibilità interne, che riguardano solo il sistema, da quelle esterne, le quali coinvolgono solo l'ambiente.

• Trasformazione irreversibile: la trasformazione non permette di tornare alle condizioni iniziali.
• Trasformazioni reversibili: la trasformazione ci porta ad uno stato di equilibrio che coincide con quello iniziale. Nelle trasformazioni reversibili hanno particolare interesse le trasformazioni internamente reversibili, ovvero quelle trasformazioni in cui le irreversibilità riguardano esclusivamente il mezzo. Tali trasformazioni consistono in un succedersi di infiniti stati di equilibrio e per questo prende anche il nome di trasformazione quasi statica.

Il nostro interesse sarà puntato sulle trasformazioni quasi statiche o totalmente reversibili.

Primo principio della termodinamica per sistemi chiusi

Grazie alla prima esperienza di Joule si riuscì a dimostrare che il calore e il lavoro erano forme equivalenti di energia e, soprattutto, che erano in rapporto costante tra di loro.

Prima esperienza di Joule

Joule prese un contenitore adiabatico, pieno d'acqua, nel quale immerse delle pale collegate tramite una puleggia ad un grave (esterno al contenitore) posto ad un'altezza h dal suolo. Tra le pale vi erano delle alette la cui funzione era quella di opporre resistenza al movimento delle pale, le quali erano azionate facendo cadere il grave, convertendo così il lavoro in calore. Joule affermò che il rapporto tra il lavoro e il calore era costante e pari all'equivalente meccanico del calore.