Trasformazioni termodinamiche

Indice
Principi della termodinamica
Principi di conservazione
Trasformazioni dei gas
Equazione di stato dei gas
Di
Maria Grazia Galati
1° principio termodinamica
Fornisce una precisa definizione del calore. Quando un
corpo viene posto a contatto con un altro corpo
relativamente più freddo, avviene una trasformazione che
porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le
temperature dei due corpi. Per spiegare questo
fenomeno, gli scienziati del XVIII secolo supposero che
una sostanza, presente in maggior quantità nel corpo più
caldo, passasse nel corpo più freddo. Questa sostanza
ipotetica, detta "calorico", era pensata come un fluido
capace di muoversi attraverso la materia.
1° principio termodinamica
Il primo principio della termodinamica invece
identifica il calore come una forma di energia che può
essere convertita in lavoro meccanico ed essere
immagazzinata, ma che non è una sostanza
materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il
calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro
o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente
equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,186 joule.
Il primo principio è dunque un principio di
conservazione dell'energia. In ogni macchina termica
una certa quantità di energia viene trasformata in
lavoro; non può esistere nessuna macchina che
produca lavoro senza consumare energia. Una simile
macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il
cosiddetto "moto perpetuo di prima specie".
2° principio termodinamica
Impone un'ulteriore condizione alle trasformazioni
termodinamiche. Esistono diversi enunciati , tutti
equivalenti, di questo principio e ciascuna delle formulazioni
ne mette in risalto un particolare aspetto. Esso afferma che
è impossibile realizzare una macchina ciclica che abbia come
unico risultato il trasferimento di calore da un corpo a un
corpo a un corpo caldo (enunciato di Clausius) o,
equivalentemente, che è impossibile costruire una macchina
ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore
sottratto a una sola sorgente (enunciato di Kelvin).
Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il
cosiddetto "moto perpetuo di seconda specie".
3° principio termodinamica
È strettamente legato al secondo, e in alcuni casi è
considerato come una conseguenza di quest'ultimo. Può
essere enunciato dicendo che è impossibile raggiungere lo
zero assoluto con un numero finito di trasformazioni e
fornisce una precisa definizione di grandezza chiamata,
appunto, ENTROPIA. L'entropia si può pensare come la
misura di quanto un sistema sia vicino allo stato di
equilibrio, o in modo equivalente come la misura del
grado di disordine di un sistema. Il terzo principio afferma
che l'entropia, cioè il disordine, di un sistema isolato non
può diminuire. Pertanto, quando un sistema isolato
raggiunge una configurazione di massima entropia non
può subire trasformazioni: ha raggiunto l'equilibrio.
I principi di conservazione
Leggi della fisica affermano che, nel corso di determinate
trasformazioni, alcune delle grandezze che caratterizzano un sistema
fisico rimangono invariate. I principi di conservazione ebbero sempre
un ruolo estremamente importante nella ricerca scientifica. Nel XVIII
secolo il chimico francese Antoine Lavoisier scoprì che in una
reazione chimica la massa complessiva degli elementi che
partecipano alla trasformazione rimane costante. Questa
osservazione, che esprime il principio di conservazione della massa,
viene oggi enunciata nella seguente forma generale: la quantità di
materia totale di un sistema chiuso rimane costante.
I principi di conservazione
All’inizio del XIX secolo si comprese che esistono diverse forme di
energia, ad esempio l’energia cinetica, potenziale, termica, ciascuna
delle quali può essere trasformata in un’altra forma. Questa intuizione
condusse gli scienziati tedeschi Hermann von Helmholtz e Julius
Robert von Mayer e il fisico britannico James Prescott Joule a
formulare il principio di conservazione dell’energia che nella sua
forma più generale afferma che la somma dell’energia cinetica,
dell’energia potenziale e dell’energia termica di un sistema isolato è
costante. Il primo principio della termodinamica, secondo cui la
quantità di calore assorbita (o ceduta) da un sistema termodinamico
è uguale al lavoro che esso compie sull’esterno (o compiuto su di
esso dall’esterno), è uno dei possibili enunciati di questa importante
legge.
I principi di conservazione
Il principi di conservazione dell’energia, della quantità di moto e del
momento angolare permettono di determinare l’evoluzione di
qualsiasi sistema fisico che rispetti le leggi della meccanica
classica. Nell’ambito dell’elettricità, invece, è valido il principio di
conservazione della carica elettrica.
Trasformazioni dei gas
Lo stato di un sistema termodinamico in equilibrio con l’ambiente è
caratterizzato da grandezze, o variabili, di stato, che sono:
PRESSIONE, VOLUME e TEMPERATURA. Esse sono collegate tra
loro e il nostro scopo è quello di individuare le leggi fisiche che
esistono tra di esse quando un gas passa da uno stato di equilibrio
iniziale ad uno finale, cioè quando il sistema subisce una
TRASFORMAZIONE. Per fare ciò, supponiamo di avere una certa
quantità di gas racchiuso in un cilindro (fatto di materiale isolante)
dotato di un pistone scorrevole (con attrito trascurabile) sulle pareti
del recipiente.
materiale isolante
base conduttrice
pistone scorrevole
fonte di calore
gas
Trasformazioni dei gas
Possiamo avere 4 trasformazioni:
Isobara
Isocora
Isotermica
Adiabatica
Trasformazione isobara
In questa trasformazione si mantiene fissa la pressione e
vengono fatte variare la temperatura e il volume, i quali
risultano essere direttamente proporzionali tra loro.
V
p
pi=pf
Vf
Vi
O
Ti
Tf
T
O
Vi
Vf
V
Trasformazione isocora
In questa trasformazione si mantiene costante il volume
del gas e vengono variate temperatura e pressione.
p
p
pf
pf
pi
pi
O
Ti
Tf
T
O
Vi=Vf
V
Trasformazione isoterma
In questa trasformazione si mantiene costante la
temperatura e si fanno variare pressione e volume, legati
da un’ indiretta proporzionalità e quindi dall’equazione:
P * V= costante
Questa legge prende il nome da Robert Boyle
p
pi
pf
O
Vi
Vf
V
Trasformazione adiabatica
Nel considerare questa quarta trasformazione bisogna premettere
che la base del cilindro viene qui ricoperta da uno strato isolante.
Per questo motivo vi è una totale indipendenza termica dall’esterno,
cioè il gas all’interno del cilindro non scambia calore con l’esterno,
quindi Q = 0. La legge che lega la pressione al volume è:
P * V=costante
p
pi
pf
O
Vi
Vf
V
Confronto tra trasformazioni
Il confronto con il ramo di iperbole di una trasformazione
isoterma a 0C, evidenza la maggiore ripidità della curva
relativa alla adiabatica
p
isoterma
pi
adiabatica
pf
O
Vi
Vf
V
Equazione di stato dei gas
Si può dimostrare che questa legge generale, detta EQUAZIONE DI
STATO, per i gas perfetti ha la seguente forma:
P * V=n * R * T
dove n indica il numero di moli di gas, R la costante dei gas perfetti
pari a 8,314 J/molK e p, V, T le variabili di stato dei gas
(rispettivamente pressione, volume, temperatura). Un altro modo di
esprimerla, mettendo in evidenza la massa del gas m (espressa in
kg) invece del numero di moli, può essere:
P * V=m * R * T