Termodinamica

 

Primo principio della termodinamica

Tutta la materia che ci circonda è costituita, a livello microscopico, da atomi e molecole, tenute assieme da forze di attrazione di natura elettrica, dette anche forze di coesione, che implicano per il sistema fisico in esame un'energia potenziale E_pot negativa. Per vincere le forze intermolecolari e isolare le singole molecole è necessario dall'esterno fornire al sistema un lavoro positivo, uguale ed opposto all'energia potenziale E_pot.

Oltre all'energia potenziale E_pot, le molecole del sistema possiedono anche un'energia cinetica dovuta al loro moto di agitazione termica. L'energia cinetica media di una molecola è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta in base alla formula K = 3/2 k_B T, dove k_B è una costante, detta costante di Boltzmann, il cui valore è k_B = 1.381 · 10^-23 J/K. Abbassando progressivamente la temperatura, si arriva allo zero assoluto T = 0 K, che corrisponde a un'energia cinetica nulla di tutte le molecole del sistema e, di conseguenza, risulta essere la minima temperatura raggiungibile in natura.

In generale, si definisce energia interna U di un sistema fisico la somma dell'energia potenziale E_pot e dell'energia cinetica K di tutte le molecole che costituiscono il sistema, ossia: U = E_pot + K. Nel caso particolare di un gas ideale le forze intermolecolari sono praticamente trascurabili e pertanto anche l'energia potenziale E_pot è nulla, da cui l'energia interna di un gas ideale è l'energia cinetica totale delle sue molecole, data da U = 3/2 N k_B T, dove N è il numero totale di molecole del gas. Dunque l'energia interna immagazzinata in un gas è tanto maggiore quanto maggiore è la sua temperatura.

La termodinamica è quella parte della fisica che studia gli scambi di energia (sotto forma di calore o lavoro) tra un certo sistema fisico (un esempio che analizzeremo è il motore di un'automobile) e l'ambiente circostante. Nel caso della tasformazione a pressione costante analizzata nella precedente sezione, abbiamo che il sistema ha assorbito una certa quantità di calore Q dall'ambiente esterno e ha compiuto un certo lavoro L sull'ambiente esterno. In base al principio di conservazione dell'energia, la variazione dell'energia interna del sistema fisico in esame ΔU è data da ΔU = Q - L. Questa riscrittura del principio di conservazione dell'energia prende anche il nome di primo principio della termodinamica. Per convenzione si considerano positivi i calori Q che vengono assorbiti dal sistema (nel precedente esempio dal gas a pressione costante) ed i lavori L che vengono fatti dal sistema sull'ambiente esterno.

Come prima applicazione del primo principio della termodinamica vogliamo menzionare una trasformazione a volume costante. Dal momento che ΔV = 0, avremo che il sistema non compie un lavoro sull'ambiente esterno, dunque L = 0, da cui ΔU = Q, ossia tutto il calore che il sistema assorbe dall'esterno comporta un aumento della sua energia interna e, dunque, della sua temperatura. Viceversa si definiscono trasformazioni adiabatiche quelle trasformazioni che avvengono così rapidamente da non dare al sistema il tempo di scambiare calore con l'esterno. Dunque in una trasformazione adiabatica Q = 0 e il primo principio della termodinamica diventa ΔU = - L. Se la trasformazione è un'espansione adiabatica, il lavoro L è positivo, l'energia interna diminuisce e il gas si raffredda. Viceversa, se la trasformazione adiabatica è una compressione, il lavoro è negativo e il gas si riscalderà.