Termodinamica Base - Fisica 1

Appunti di termodinamica

Parte 1 - Concetti fondanti

In termodinamica è importante, in primo luogo, sapere quali sono le parti che interagiscono tra di loro e come:

Sistema termodinamico: porzione del mondo che può essere costituita da una o più parti (l'esempio più comune è il cilindro chiuso in cui è contenuto un gas).

Ambiente: insieme di una o più parti con cui il sistema termodinamico può interagire.

Universo: unione di sistema ed ambiente.

Lo studio fondamentale non riguarda tanto cosa succede nell'universo, ma come il sistema termodinamico e l'ambiente interagiscono tra di loro. In base a questa interazione un sistema può essere:

• Aperto: avviene scambio di Energia e di Materia.
• Chiuso: avviene scambio di Energia, ma non di Materia.
• Isolato: non avviene alcuno scambio.

Come facciamo però a descrivere il sistema? Lo faremo attraverso quelle che sono chiamate variabili termodinamiche; esse sono principalmente tre: Pressione (p), Volume (V) e Temperatura (T).

Un sistema termodinamico sarà sempre descritto attraverso una serie di stati di equilibrio a cui esso si trova; quando il sistema è in equilibrio le sue variabili termodinamiche diventano variabili di stato e sono così costanti nel tempo. Il passaggio tra gli stati di equilibrio è realizzato attraverso le trasformazioni termodinamiche.

L'equilibrio che si può presentare è fondamentalmente di 3 tipi:

• Chimico
• Meccanico: delle tre variabili termodinamiche elencate, quella legata all'equilibrio meccanico è la Pressione (p); il motivo è semplice, l'equilibrio meccanico di un sistema indica l'equivalenza delle forze che agiscono sul sistema stesso, la Pressione (p) è esprimibile come il rapporto tra la forza agente su una certa superficie: p = F / S
• Termico: indica la stabilizzazione della Temperatura (T) del sistema; se mettiamo a contatto il sistema con l'ambiente ed essi hanno temperature diverse, allora essi cominceranno a scambiare energia in modo da raggiungere la stessa temperatura di equilibrio

(Di queste tre tipologie a noi interessa solo analizzare le ultime due)

Dunque il congiungimento tra due stati di equilibrio avviene attraverso una trasformazione termodinamica; questa trasformazione ha una particolare proprietà che varrà sempre e comunque nelle nostre considerazioni:

Trasformazione quasi-statistica: per effettuare una trasformazione che passi da uno stato di equilibrio all'altro di un sistema, bisogna necessariamente procedere con variazioni molto piccole delle variabili termodinamiche in modo che queste riescano ad essere definite come variabili di stato in ognuno degli istanti. Ciò si può fare discostandosi poco del punto di partenza dello stato di equilibrio, attendere che le variabili si stabilizzino e poi continuare a ripetere il processo fino ad arrivare allo stato di equilibrio finale. Questa condizione è necessaria e noi la considereremo sempre vera a priori.

Preso come vero questo concetto, la trasformazione termodinamica in sé può essere di due tipi:

• Reversibile: una trasformazione è reversibile se avviene in assenza di forze dissipative ed è possibile riportare il sistema e l'ambiente allo stato precedente dell'avvenimento della trasformazione.
• Irreversibile: una trasformazione è irreversibile se vi sono forze dissipative agenti, oppure se non è possibile riportare il sistema e/o l'ambiente allo stato precedente dell'avvenimento della trasformazione.

Parte 2 - Principio primo della termodinamica

Abbiamo detto che un sistema passa attraverso gli stati di equilibrio...