Termodinamica - Appunti delle lezioni di Fisica

Riassunto della Termodinamica

Introduzione alla Termodinamica

La termodinamica è una branca della fisica che

studia le relazioni tra calore, lavoro, temperatura e

energia. Questa disciplina ha avuto un impatto

significativo su molte aree della scienza e

dell'ingegneria, contribuendo alla comprensione dei

processi energetici e al funzionamento di sistemi

complessi, come motori, refrigeratori e sistemi

biologici.

Storia e Sviluppo

La termodinamica è emersa nel XIX secolo con il

lavoro di scienziati come Sadi Carnot, Rudolf

Clausius e William Thomson (Lord Kelvin). Sadi

Carnot, nel suo lavoro del 1824, ha introdotto il

concetto di ciclo termico, fornendo le basi per la

comprensione dell'efficienza dei motori termici.

Rudolf Clausius ha formulato il secondo principio

della termodinamica, introducendo il concetto di

entropia. Questi sviluppi hanno portato alla

formulazione delle leggi fondamentali della

termodinamica.

Le Leggi Fondamentali della Termodinamica

Prima Legge della Termodinamica

La prima legge della termodinamica, nota come

principio di conservazione dell'energia, afferma che

l'energia totale di un sistema isolato è costante.

Questa legge può essere espressa matematicamente

come:

[ \Delta U = Q - W ]

dove ( \Delta U ) è la variazione di energia interna

del sistema, ( Q ) è il calore assorbito dal sistema e

( W ) è il lavoro compiuto dal sistema. In altre parole,

l'energia può essere trasferita tra il sistema e

l'ambiente sotto forma di calore e lavoro, ma non

può essere creata né distrutta.

Seconda Legge della Termodinamica

La seconda legge introduce il concetto di entropia,

una misura della dispersione dell'energia in un

sistema. Essa afferma che in un processo isolato,

l'entropia totale di un sistema tende ad aumentare.

Questo porta al principio che i processi naturali sono

irreversibili e tende a descrivere la direzione nella

quale i processi termodinamici avvengono. Una delle

formulazioni più comuni di questa legge è che il

calore non può spontaneamente fluire da un corpo

caldo a uno freddo.

Terza Legge della Termodinamica

La terza legge afferma che è impossibile raggiungere

lo zero assoluto (0 K) in un numero finito di passaggi.

A temperature prossime allo zero assoluto, l'entropia

di un cristallo perfetto tende a zero. Questa legge ha

importanti implicazioni nella criogenia e nella fisica

dei materiali a basse temperature.

Concetti Chiave della Termodinamica

Stato e Variabili di Stato

Un sistema è descritto da un insieme di proprietà

fisiche chiamate variabili di stato (pressione,

volume, temperatura). Lo stato di un sistema può

essere rappresentato in un diagramma di stato, dove

è possibile osservare le varie trasformazioni che il

sistema può subire.

Cicli Termodinamici

Un ciclo termodinamico è una serie di trasformazioni

che un sistema attraversa e che lo riportano al suo

stato iniziale. I cicli più noti includono il ciclo di

Carnot, il ciclo Rankine e il ciclo Otto, ognuno dei

quali ha applicazioni pratiche nelle macchine

termiche.

Energia Interna, Calore e Lavoro

Energia Interna (U): È l'energia associata

 all'energia cinetica e potenziale delle molecole

all'interno di un sistema.

Calore (Q): È l'energia trasferita tra sistemi a

 causa di una differenza di temperatura.

Lavoro (W): È l'energia trasferita quando un

 sistema esercita una forza su un altro oggetto.

Entropia

L'entropia è una misura della disordine o della

casualità in un sistema. Aumenta in un sistema

isolato e gioca un ruolo cruciale nell'analisi dei

processi irreversibili.

Applicazioni della Termodinamica

La termodinamica è fondamentale in numerosi

campi, tra cui:

Ingegneria dei Trasporti

Le leggi della termodinamica sono applicate nei

motori a combustione interna, nei turbine a gas e in

tutte le forme di produzione di energia meccanica.

Sistemi Refrigeranti

I principi termodinamici sono alla base del

funzionamento dei refrigeratori e delle pompe di