Cos'è la Termodinamica:
La termodinamica è la branca della fisica che studia la relazione tra calore, forza applicata (nota anche come lavoro) e trasferimento di energia.
La parola termodinamica deriva dalle radici greche μο- (termo-) che significa "calore", e αμικός (dinamico), che a sua volta deriva da αμις (dýnamis), che significa "forza" o "potenza".
I processi termodinamici sono determinati da tre leggi fondamentali.
- La prima legge ci permette di capire come si conserva l'energia.
- La seconda legge serve per conoscere le condizioni necessarie affinché avvenga il trasferimento di energia.
- La terza legge serve a conoscere il comportamento dei sistemi in equilibrio.
Comprendere i processi termodinamici è importante in aree come l'ingegneria industriale in cui è necessario utilizzare grandi quantità di energia per far funzionare più macchine.
Le leggi della termodinamica ci permettono anche di comprendere il funzionamento dei sistemi in aree come la biochimica, la cosmologia e la genetica.
Leggi della termodinamica
Ci sono tre leggi in termodinamica che spiegano come funzionano e si trasmettono il calore e l'energia. Li spiegheremo in dettaglio di seguito.
Prima Legge della Termodinamica
La prima legge riguarda la conservazione dell'energia: l'energia non si crea né si distrugge, si trasforma solo. Per esempio:
- L'energia solare viene trasformata in energia elettrica per una stazione di servizio.
- Quell'energia elettrica può essere utilizzata per caricare la batteria dell'auto elettrica.
- L'auto elettrica è in grado di convertire l'energia accumulata in cilindrata.
L'energia, quindi, è sempre in movimento.
La formula semplificata sarebbe la seguente:
Secondo principio della termodinamica
La Seconda Legge della Termodinamica permette di determinare due cose:
- La direzione in cui avviene il trasferimento di energia.
- Le condizioni necessarie per invertire il processo.
Da qui si apprende che esistono processi reversibili e irreversibili.
Ad esempio, il sale da cucina si mescola spontaneamente con l'acqua attraverso un processo chiamato diluizione. Questo processo rilascia calore.
Per invertire questo processo e riformare i cristalli di sale, è necessario applicare il calore, che consente all'acqua di evaporare e separarla dal sale. Il sistema assorbe il calore.
La formula semplificata sarebbe la seguente:
Terzo principio della termodinamica
La terza legge della termodinamica combina le due leggi precedenti e le applica a sistemi in assoluto equilibrio. In questo stato c'è un minimo scambio di energia e un massimo grado di disordine (o entropia).
La terza legge si applica ai sistemi chiusi. Questi tipi di sistemi si vedono solo nella fisica teorica e nella chimica.
La formula semplificata sarebbe questa:
Tipi di sistemi in termodinamica
Per comprendere le leggi della termodinamica, è innanzitutto importante conoscere i tipi di sistemi esistenti e il loro comportamento.
Tutto ciò che ci circonda è costituito da sistemi e la maggior parte dei sistemi che conosciamo scambiano energia. I sistemi sono classificati in tre tipi: aperti, chiusi e isolati.
- Sistemi aperti: scambiano energia e materia con l'esterno (ad esempio un falò).
- Sistemi chiusi: scambiano energia solo con l'esterno (ad esempio un telefono cellulare).
- Sistemi isolati: Non si scambiano materia o energia (sono solo teoriche).
Mentre la prima e la seconda legge della termodinamica si applicano ai sistemi aperti e chiusi, la terza legge si applica ai sistemi isolati.
Stato di un sistema
Ci sono due stati fondamentali in cui si possono trovare i sistemi (indipendentemente dal loro tipo).
- Sistemi attivi: in caso di scambio di energia il sistema si dice attivo.
- Sistemi in quiete o in equilibrio: se non c'è scambio di energia, il sistema è considerato a riposo o in equilibrio.
Calore e trasferimento di calore in termodinamica
Secondo la fisica, il calore è il flusso di energia che esiste quando due sistemi di temperature diverse entrano in contatto. L'equilibrio termico si raggiunge quando tutti i sistemi coinvolti raggiungono la stessa temperatura.
Nei sistemi termodinamici se due di essi sono in equilibrio con un terzo sistema, allora sono anche in equilibrio tra loro. Pertanto, quando si raggiunge l'equilibrio, la temperatura è una costante.
