Ciao a tutti! In questa video lezione parliamo dei principi della termodinamica: in particolare parleremo del primo principio della termodinamica e del secondo principio della termodinamica. In questo capitolo denominato “termodinamica” troverete anche lezioni relative alle leggi dei gas, macchine termiche, ciclo di Carnot, equazione di stato dei gas perfetti, teoria cinetica dei gas.
La termodinamica è quella branca della fisica che studia l’evoluzione di un sistema attraverso gli scambi di energia che il sistema ha con l’ambiente: in questa maniera si riescono ad individuare le condizioni nelle quali il sistema è in equilibrio oppure tende ad evolvere spontaneamente. Per fare questo la termodinamica introduce tra l’altro due importantissimi principi detto primo principio della termodinamica il secondo principio della termodinamica. Vediamoli.
Diremmo in maniera spontanea che questa forse è la frase più famosa della fisica che dice “l’energia non si crea né si distrugge ma si trasforma”. Infatti Clausius introduce così il concetto di primo principio che appunto vieta la creazione spontanea di energia a favore di una continua trasformazione.
La variazione di energia interna di un sistema è il risultato della differenza tra il calore scambiato dal sistema con l’esterno ed il lavoro svolto o subito dal sistema con l’esterno
Così come abbiamo visto nell’enunciato la formula conterrà la grandezza fisica energia interna (che rappresenta l’energia complessiva dovuta ai legami interni della struttura stessa della materia e dell’energia cinetica), il calore ed il lavoro.
'Delta U=Q-L'Nella formula precedente dovete fare molta attenzione ai segni: infatti il calore ed il lavoro vengono considerati negativi oppure positivi a seconda di come sono scambiati. Spieghiamo meglio: parliamo del calore, lo considereremo positivo quando è assorbito dal sistema mentre lo considereremo negativo quando è ceduto dal sistema; parliamo del lavoro, lo considereremo positivo quando è fatto dal sistema mentre lo considereremo negativo quando è subito dal sistema.
Come cambia la formula a seconda della trasformazione dei gas? Vediamolo trasformazione per trasformazione
La trasformazione isocora è quella trasformazione che avviene a volume costante: dunque il gas assorbe oppure cede calore ma non varia il proprio volume. Dunque non c’è lavoro! Allora la formula del primo principio della termodinamica diventerà questa
'Delta U=Q'La trasformazione adiabatica è una trasformazione nella quale il gas subisce un cambiamento repentino: variano temperatura volume e pressione ma non c’è tempo di scambiare calore con l’esterno! Allora la formula del primo principio cambierà: non avremo il calore all’interno della formula perché questo è pari a zero
'Delta U=-L'La trasformazione ciclica è la somma di una serie di trasformazioni che fa tornare il gas al termine di queste trasformazioni alle condizioni iniziali. Ora l’energia interna assume un determinato valore che è associato punto per punto allo stato nel quale in quel momento si trova il gas. Ritornando in questa trasformazione il gas allo stato iniziale allora diremo che lo stato iniziale coincide con quello finale dunque l’energia iniziale coincide con quella finale dunque non c’è variazione di energia interna! Allora la formula del primo principio affermerà semplicemente che il calore totale è uguale al lavoro totale.
'Q=L'Questo si presenta normalmente enunciato in due forme diverse e mette in chiaro come i processi spontanei in fisica abbiano una loro direzione temporale e che dal punto di vista energetico alcune cose possono avvenire solo a condizione che vengano forzate.
È impossibile realizzare una trasformazione termodinamica che abbia come unico risultato la completa trasformazione in lavoro del calore assorbito da una sorgente a temperatura costante.
Per comprendere il significato dell’enunciato del secondo principio della termodinamica di Kelvin possiamo pensare al funzionamento delle macchine termiche: in queste abbiamo del calore che viene assorbito e che in parte viene convertito in lavoro ma in parte avanza e questo avanzo viene chiamato calore ceduto. Complessivamente non si potrà mai costruire una macchina termica che trasforma in lavoro tutto il calore che assorbe. Ecco perché in una macchina termica ci devono necessariamente essere due sorgenti.
È impossibile realizzare un processo termodinamico che abbia come unico risultato il passaggio di calore da un corpo a temperatura minore ad un corpo a temperatura maggiore
In questo secondo enunciato si vede chiaramente come in fisica dobbiamo considerare alcuni processi che possono scorrere spontaneamente solamente in una direzione: se prendete un cubetto di ghiaccio e lo poggiate su un tavolo questo si scioglierà, non potrà mai accadere che possa spontaneamente diventare ancora più freddo, sarà destinato necessariamente a sciogliersi. In questo disegno della natura si intravede immediatamente, attraverso proprio il ragionamento del secondo principio che i fenomeni appunto spontanei seguono la freccia del tempo, non possono andare indietro proprio perché il tempo non può scorrere al contrario.
Ovviamente il processo potrebbe comunque avvenire al contrario: ovvero qualcosa di freddo può diventare ancora più freddo ma tutto questo può avvenire semplicemente forzando il processo ovvero facendo del lavoro esterno (pensate a quello che fa il frigorifero, spende dell’energia raffreddando i cibi ma fondamentalmente questo è un processo forzato)