Termodinamica - Primo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica per un sistema chiuso che si porta dalla condizione A alla condizione B dice che la variazione di energia interna al sistema è pari alla differenza tra la quantità di calore e la quantità di lavoro che esso scambia con il mezzo attraverso la superficie di controllo.

U – U_AB = Q – L

Calore e lavoro

Calore e lavoro non sono delle energie, ma rappresentano i meccanismi termici e meccanici che l’energia sceglie per manifestarsi. Un gradiente di temperatura provoca uno scambio energetico sotto forma di calore; una disuniformità di pressione determina un trasferimento di energia sotto forma di lavoro.

Trasformazione ciclica

Consideriamo un sistema chiuso che descrive una trasformazione ciclica (chiusa). Normalmente, la somma algebrica delle quantità di calore e di lavoro scambiate tra sistema e mezzo è diversa da zero. Possiamo però osservare che lavoro e calore chiudono la trasformazione sempre con lo stesso segno: se L > 0 allora Q > 0.

• Q > 0 vuol dire che il sistema ha ricevuto calore
• L > 0 indica che è stato il sistema a cedere lavoro

Dunque, ogni qualvolta il sistema “si arricchisce” ricevendo del calore, contemporaneamente esso “perde” dell’energia scambiandola meccanicamente con il mezzo. Grazie al primo esperimento di Joule, possiamo affermare che le due grandezze Q e L sono legate tra di loro e che il rapporto di trasformazione L/Q è costante: dunque calore e lavoro rappresentano aspetti diversi di una stessa realtà, sono entrambe manifestazioni di energia che cambia forma.

Esperimento di Joule

Joule prese un contenitore contenente acqua e lo isolò in modo da non poter scambiare calore con l’ambiente esterno. All’interno di questo contenitore pose un asse con delle pale. Quest’asse era collegato a una massa nota soggetta alla sola forza peso. Joule verificò che quando la massa compiva un lavoro L = mg∆h, questo era convertito dapprima in energia cinetica delle pale e, successivamente, veniva “dissipato” per attrito in calore. Tale calore provocava un innalzamento della temperatura dell’acqua Q = cm∆t. Conoscendo la massa e il calore specifico dell’acqua, osservando le variazioni di temperatura, Joule era in grado di ricavare la quantità di calore acquisita dal sistema.

Egili, quindi, eseguendo una serie di esperimenti, verificò che il rapporto di conversione di lavoro in calore era sempre lo stesso: L/Q = cost = E (equivalente meccanico del lavoro) = 4186 J/Kcal. Allora, il calore non è altro che un modo di manifestare l’energia termicamente: la sua unità di misura, quindi, sarà la stessa del lavoro, cioè il Joule.