La termodinamica studia le trasformazioni energetiche nei sistemi fisici. Si occupa dei principi fondamentali che governano gli scambi di energia sotto forma di calore e lavoro.
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Termodinamica per Principianti: Primo e Secondo Principio, Sistemi e Trasformazioni
Federica Tunisi
@federicatunisi
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13/11/2022
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Introduzione alla Termodinamica
La termodinamica si occupa delle trasformazioni reciproche tra le varie forme di energia nei sistemi interagenti. Questa branca della fisica studia i sistemi termodinamici, che possono essere di diversi tipi:
- Sistema aperto: può scambiare materia con l'ambiente
- Sistema chiuso: non può scambiare materia con l'ambiente
- Sistema isolato: non può scambiare alcuna forma di energia con l'ambiente
Definizione: Un sistema termodinamico è una parte finita dell'universo fisico, delimitata da un contorno reale o ideale, considerata per uno specifico problema.
Le proprietà di un sistema termodinamico si distinguono in:
- Proprietà intensive: non dipendono dalle dimensioni del sistema (es. temperatura, pressione, densità)
- Proprietà estensive: dipendono linearmente dalla massa del sistema (es. volume, energia totale)
Highlight: È importante notare che esiste sempre uno scambio di energia associato ad uno scambio di materia tra sistema e ambiente.
Esempio: La temperatura è una grandezza intensiva, mentre il volume è una grandezza estensiva.
Energia e Lavoro in Termodinamica
L'energia meccanica di un sistema è la somma di energia cinetica ed energia potenziale. Quando due sistemi si scambiano energia meccanica, tale energia in transito è definita lavoro.
Definizione: Il lavoro è la parte di energia meccanica che viene scambiata tra sistemi.
Formule fondamentali:
- Energia cinetica: Ec = 1/2 mv²
- Energia potenziale (per forza costante): Ep = mgz
- Lavoro (per forza costante): W = Fs
Per il lavoro con forza variabile: W = ∫ F ds
Un tipo particolare di lavoro è il lavoro di variazione di volume: Wv = ∫ pdV
Esempio: Il lavoro di tensione superficiale è il lavoro necessario per allargare la superficie di un fluido di una quantità infinitesima: Wsup = σ ΔA
Esistono anche forme di lavoro non meccanico, come:
- Lavoro elettrico
- Lavoro magnetico
- Lavoro di polarizzazione elettrica
Highlight: Il lavoro è una grandezza che descrive il trasferimento di energia tra sistemi, non una proprietà intrinseca di un sistema.
Trasferimento di Calore e Trasformazioni Termodinamiche
Il calore è una forma di energia associata al movimento casuale di atomi e molecole, trasferita tra due sistemi (o tra sistema e ambiente) in virtù di una differenza di temperatura.
Definizione: Una trasformazione adiabatica è un processo durante il quale non c'è trasmissione di calore.
I principali meccanismi di trasferimento del calore sono:
-
Conduzione: trasferimento di energia in presenza di un gradiente di temperatura in un mezzo stazionario.
-
Convezione: trasmissione di calore tra una superficie e un fluido in movimento a temperature differenti.
-
Irraggiamento: trasferimento di calore tramite emissione di onde elettromagnetiche.
Highlight: La differenza di temperatura è il motore di ogni trasferimento di calore: maggiore è la differenza, più intenso è lo scambio.
Formule importanti:
- Calore scambiato a potenza termica costante: Q = Q̇ Δt
- Calore scambiato a potenza termica variabile: Q = ∫ Q̇ dt
Esempio: In una trasformazione adiabatica, il sistema può essere isolato termicamente o trovarsi alla stessa temperatura dell'ambiente circostante.
Questi concetti fondamentali della termodinamica sono essenziali per comprendere i principi della termodinamica e le varie trasformazioni termodinamiche che un sistema può subire.
Proprietà Fondamentali dei Sistemi Termodinamici
Le principali proprietà di un sistema termodinamico includono:
-
Massa: misura la quantità di materia presente in un corpo e determina il suo comportamento dinamico sotto l'influenza di forze esterne.
-
Volume: misura lo spazio occupato da un corpo. Si definiscono anche:
- Volume specifico: V/m
- Densità: m/V
- Peso specifico: ρg
-
Pressione: grandezza fisica intensiva definita come il rapporto tra la forza agente ortogonalmente su una superficie e la sua area.
Definizione: Il Principio di Pascal afferma che la pressione applicata ad un fluido racchiuso in un recipiente si trasmette invariata ad ogni parte del fluido e alle pareti del recipiente.
- Temperatura: proprietà fisica intensiva che su scala microscopica rappresenta l'indice dello stato di agitazione molecolare del sistema.
Highlight: Quando due sistemi sono in equilibrio termico, non avviene alcun trasferimento di energia e si dice che sono alla stessa temperatura.
Definizione: Il Principio Zero della termodinamica stabilisce che se due sistemi A e B sono in equilibrio termico tra loro e un terzo sistema C è in equilibrio termico con A, allora anche i sistemi B e C sono in equilibrio termico.
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La termodinamica si occupa delle trasformazioni reciproche tra le varie forme di energia nei sistemi interagenti. Questa branca della fisica studia i sistemi termodinamici, che possono essere di diversi tipi:
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- Proprietà intensive: non dipendono dalle dimensioni del sistema (es. temperatura, pressione, densità)
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Highlight: È importante notare che esiste sempre uno scambio di energia associato ad uno scambio di materia tra sistema e ambiente.
Esempio: La temperatura è una grandezza intensiva, mentre il volume è una grandezza estensiva.
Energia e Lavoro in Termodinamica
L'energia meccanica di un sistema è la somma di energia cinetica ed energia potenziale. Quando due sistemi si scambiano energia meccanica, tale energia in transito è definita lavoro.
Definizione: Il lavoro è la parte di energia meccanica che viene scambiata tra sistemi.
Formule fondamentali:
- Energia cinetica: Ec = 1/2 mv²
- Energia potenziale (per forza costante): Ep = mgz
- Lavoro (per forza costante): W = Fs
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Il calore è una forma di energia associata al movimento casuale di atomi e molecole, trasferita tra due sistemi (o tra sistema e ambiente) in virtù di una differenza di temperatura.
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-
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