Termodinamica: definizione, leggi ed equazioni

Per molte persone, la termodinamica suona come un ramo spaventoso della fisica che solo le persone intelligenti possono capire. Ma con alcune conoscenze fondamentali e un po' di lavoro, chiunque può dare un senso a quest'area di studio.

La termodinamica è una branca della fisica che esplora gli avvenimenti nei sistemi fisici dovuti al trasferimento di energia termica. Fisici da Sadi Carnot a Rudolf Clausius e James Clerk Maxwell a Max Planck hanno tutti contribuito al suo sviluppo.

La parola "termodinamica" deriva dalle radici greche termos, che significa caldo o caldo, e dynamikos, che significa potente, sebbene interpretazioni successive della radice attribuiscano ad essa il significato di azione e movimento. In sostanza, la termodinamica è lo studio dell'energia termica in movimento.

La termodinamica si occupa di come l'energia termica può essere generata e trasformata in diverse forme di energia come l'energia meccanica. Esplora anche la nozione di ordine e disordine nei sistemi fisici, nonché l'efficienza energetica di diversi processi.

Anche uno studio approfondito della termodinamica si basa molto su meccanica statistica per capire la teoria cinetica e così via. L'idea di base è che i processi termodinamici possono essere compresi in termini di ciò che stanno facendo tutte le piccole molecole di un sistema.

Il problema è, tuttavia, che è impossibile osservare e spiegare l'azione individuale di ogni molecola, quindi vengono applicati invece metodi statistici e con grande precisione.

Alcuni lavori fondamentali relativi alla termodinamica furono sviluppati già nel 1600. La legge di Boyle, sviluppata da Robert Boyle, determinò la relazione tra pressione e volume, che alla fine portò alla legge dei gas ideali quando combinata con la legge di Charles e la legge di Gay-Lussac.

Fu solo nel 1798 che il calore fu inteso come una forma di energia dal conte Rumford (alias Sir Benjamin Thompson). Ha osservato che il calore generato era proporzionale al lavoro svolto nella tornitura di un utensile noioso.

All'inizio del 1800, l'ingegnere militare francese Sadi Carnot ha svolto una notevole mole di lavoro in sviluppando il concetto di ciclo del motore termico, nonché l'idea di reversibilità in una termodinamica processi. (Alcuni processi funzionano altrettanto bene a ritroso nel tempo che in avanti nel tempo; questi processi sono chiamati reversibili. Molti altri processi funzionano solo in una direzione.)

Il lavoro di Carnot ha portato allo sviluppo del motore a vapore.

Successivamente, Rudolf Clausius ha formulato la prima e la seconda legge della termodinamica, che sono descritte più avanti in questo articolo. Il campo della termodinamica si è evoluto rapidamente nel 1800 mentre gli ingegneri lavoravano per rendere più efficienti i motori a vapore.

Le proprietà e le quantità termodinamiche includono quanto segue:

• Calore, che è l'energia trasferita tra oggetti a temperature diverse.
• Temperatura, che è una misura dell'energia cinetica media per molecola in una sostanza.
• Energia interna, che è la somma dell'energia cinetica molecolare e dell'energia potenziale in un sistema di molecole.
• Pressione, che è una misura della forza per unità di superficie su un contenitore che ospita una sostanza.
• Volume è lo spazio tridimensionale che occupa una sostanza.
• microstati sono gli stati in cui si trovano le singole molecole.
• macrostati sono gli stati più grandi in cui si trovano le raccolte di molecole.
• entropia è una misura del disturbo in una sostanza. È matematicamente definito in termini di microstati, o equivalentemente, in termini di variazioni di calore e temperatura.

Nello studio della termodinamica vengono utilizzati molti termini scientifici diversi. Per semplificare le tue indagini, ecco un elenco di definizioni di termini comunemente usati:

• Equilibrio termico o equilibrio termodinamico: Uno stato in cui tutte le parti di un sistema chiuso sono alla stessa temperatura.
• Zero assoluto Kelvin: Kelvin è l'unità SI per temperatura. Il valore più basso su questa scala è zero, o zero assoluto. È la temperatura più fredda possibile.
• Sistema termodinamico: Qualsiasi sistema chiuso che contiene interazioni e scambi di energia termica.
• Sistema isolato: Un sistema che non può scambiare energia con nulla al di fuori di esso.
• Energia termica o energia termica: Ci sono molte diverse forme di energia; tra questi c'è l'energia termica, che è l'energia associata al movimento cinetico delle molecole in un sistema.
• Energia libera di Gibbs: Un potenziale termodinamico che viene utilizzato per determinare la quantità massima di lavoro reversibile in un sistema.
• Capacità termica specifica: La quantità di energia termica necessaria per modificare di 1 grado la temperatura di un'unità di massa di una sostanza. Dipende dal tipo di sostanza ed è un numero solitamente ricercato nelle tabelle.
• gas ideale: Un modello semplificato di gas che si applica alla maggior parte dei gas a temperatura e pressione standard. Si presume che le stesse molecole di gas si scontrino in collisioni perfettamente elastiche. Si presume inoltre che le molecole siano sufficientemente distanti l'una dall'altra da poter essere trattate come masse puntiformi.

Ci sono tre principali leggi della termodinamica (chiamata prima legge, seconda legge e terza legge) ma esiste anche una legge zero. Queste leggi sono descritte come segue:

Il legge zero della termodinamica è probabilmente il più intuitivo. Essa afferma che se la sostanza A è in equilibrio termico con la sostanza B e la sostanza B è in termica equilibrio con la sostanza C, ne segue che la sostanza A deve essere in equilibrio termico con sostanza C.

Il primo principio della termodinamica è fondamentalmente un'affermazione della legge di conservazione dell'energia. Essa afferma che la variazione di energia interna di un sistema è uguale alla differenza tra l'energia termica trasferita al sistema e il lavoro svolto dal sistema sull'ambiente circostante.

Il secondo principio della termodinamica, a volte indicata come la legge che implica una freccia del tempo, afferma che l'entropia totale in un sistema chiuso può rimanere costante o aumentare solo con l'avanzare del tempo. L'entropia può essere pensata vagamente come una misura del disordine di un sistema, e questa legge può essere pensata di genericamente affermando che “le cose tendono a mischiarsi più le scuoti, al contrario di scomposizione.”

Il terzo principio della termodinamica afferma che l'entropia di un sistema si avvicina a un valore costante quando la temperatura di un sistema si avvicina allo zero assoluto. Poiché allo zero assoluto non c'è movimento molecolare, ha senso che l'entropia non cambi in quel punto.

La termodinamica si avvale della meccanica statistica. Questa è una branca della fisica che applica la statistica sia alla fisica classica che a quella quantistica.

La meccanica statistica consente agli scienziati di lavorare con quantità macroscopiche in modo più diretto rispetto a quantità microscopiche. Consideriamo la temperatura, per esempio. È definita come l'energia cinetica media per molecola in una sostanza.

E se invece avessi bisogno di determinare l'effettiva energia cinetica di ogni molecola e, soprattutto, tenere traccia di ogni collisione tra le molecole? Sarebbe quasi impossibile fare progressi. Invece, vengono utilizzate tecniche statistiche che consentono di comprendere la temperatura, la capacità termica e così via come proprietà più grandi di un materiale.

Queste proprietà descrivono il comportamento medio in corso all'interno del materiale. Lo stesso vale per quantità come la pressione e l'entropia.

UN motore termico è un sistema termodinamico che converte l'energia termica in energia meccanica. I motori a vapore sono un esempio di motore termico. Funzionano usando l'alta pressione per muovere un pistone.

I motori termici funzionano su una sorta di ciclo completo. Hanno una sorta di fonte di calore, che di solito è chiamata bagno di calore, che consente loro di assorbire energia termica. Quell'energia termica provoca quindi una sorta di cambiamento termodinamico all'interno del sistema, come l'aumento della pressione o l'espansione di un gas.

Quando un gas si espande, agisce sull'ambiente. A volte questo sembra far muovere un pistone in un motore. Alla fine di un ciclo, viene utilizzato un bagno freddo per riportare il sistema al punto di partenza.

I motori termici assorbono energia termica, la usano per svolgere un lavoro utile e quindi cedono o perdono anche parte dell'energia termica nell'ambiente durante il processo. Il efficienza di una macchina termica è definita come il rapporto tra la produzione di lavoro utile e la potenza termica netta.

Non sorprende che scienziati e ingegneri vogliano che i loro motori termici siano il più efficienti possibile, convertendo le massime quantità di energia termica immessa in lavoro utile. Potresti pensare che il più efficiente che possa essere un motore termico sia efficiente al 100%, ma questo non è corretto.

In effetti, esiste un limite alla massima efficienza di un motore termico. L'efficienza non dipende solo dal tipo di processi nel ciclo, anche quando il migliore possibile processi (quelli che sono reversibili), la massima efficienza di un motore termico dipende dalla differenza relativa di temperatura tra il bagno termico e il bagno freddo.

Questa massima efficienza è chiamata efficienza di Carnot, ed è l'efficienza di a Ciclo di Carnot, che è un ciclo di motore termico composto interamente reversibile processi.

Ci sono molte applicazioni della termodinamica per processi visto nella vita di tutti i giorni. Prendi il tuo frigorifero, per esempio. Un frigorifero funziona secondo un ciclo termodinamico.

Innanzitutto un compressore comprime il vapore del refrigerante, che provoca un aumento della pressione e lo spinge in avanti nelle bobine situate sul retro esterno del frigorifero. Se senti queste bobine, si sentiranno calde al tatto.

L'aria circostante li fa raffreddare e il gas caldo si trasforma di nuovo in un liquido. Questo liquido si raffredda ad alta pressione mentre scorre nelle bobine all'interno del frigorifero, assorbendo calore e raffreddando l'aria. Una volta abbastanza caldo, evapora di nuovo in gas e torna nel compressore, e il ciclo si ripete.

Le pompe di calore, che possono riscaldare e raffreddare la tua casa, funzionano su principi simili.