TERMODINAMICA – cenni
Termodinamica significa letteralmente: “calore - forza”. La Termodinamica è
quel ramo della fisica che si sviluppò nel Settecento, all'epoca della Rivoluzione
Industriale che si occupa di tutti i “sistemi” nei quali intervengono trasformazioni
tra il calore e il Lavoro. Trae origine dal desiderio di sostituire la forza motrice
umana con quella delle macchine (inizialmente solo macchine a vapore), sia per
migliorare le condizioni di lavoro sia per aumentare la produzione di beni visto
che il calore del vapore (che genera pressione) produce forza e movimento
(Lavoro).
Le prime applicazioni furono costruite per rimuovere l'acqua dalle miniere, dopodiché le macchine a vapore si
diffusero in vari settori, dall'estrazione delle materie prime, alla loro lavorazione e al trasporto. Oggi la
termodinamica si occupa dello studio teorico e della progettazione di molte macchine termiche, cioè macchine
che trasformano calore in Lavoro, dai motori per trasporto (marittimo, terrestre e aereo) ai frigoriferi e
condizionatori (ma non solo).
Alla base della termodinamica vi è la proprietà che il calore e Lavoro sono due forme
d’energia (come dimostrato negli appunti “CALORE E LAVORO-relazione sperimentale”)
e perciò trasformabili una nell’altra: il motore a scoppio di un’auto è un classico esempio
di macchina termica in quanto esso utilizza il calore ottenuto dal bruciare la benzina per
fornire Lavoro al veicolo. Fondamentalmente tutte le macchine, escluso quelle
alimentate a corrente o a… pedali sono macchine termiche.
In una macchina termica il calore è trasformato in Lavoro riscaldando un gas che poi
viene fatto espandere (vedi ad esempio quello che accade in un motore a scoppio) e
perciò per i nostri scopi ci riferiremo, in particolare, alla trasformazione del calore in
Lavoro da parte di un gas contenuto in un ambiente le cui pareti possono essere fisse Figura 1: Un'evidente trasformazione di
e/o mobili. Una semplice macchina termica che illustra il passaggio di energia da calore
calore in Lavoro
(riscaldamento dell’acqua) a Lavoro (spinta sulla ruota) e poi in energia elettrica è
mostrata in figura 2.
Figura 2: schema di una semplice macchina termica
Le grandezze fondamentali in termodinamica sono la pressione del gas, la sua temperatura, il suo volume
e la sua quantità di materia (quest’ultima espressa per lo più in moli): combinando queste quattro
grandezze è possibile calcolare il Lavoro e il calore ottenibile da una qualsiasi trasformazione a cui viene
sottoposto il gas.
GAS PERFETTO
Visto che dobbiamo occuparci di gas, vediamo quali sono le caratteristiche dello stato gassoso e le leggi
che ne regolano le trasformazioni. Lo stato gassoso è uno stato della materia caratterizzato da deboli legami
molecolari: conseguenza di ciò è l’estrema possibilità di movimento (mobilità) delle molecole che compongono
il gas e quindi la tendenza ad occupare tutto il volume a disposizione, ed infatti si dice che i gas non hanno né
forma né volume proprio. Il gas di cui ci occuperemo è un gas particolare, che non esiste in natura, a cui
viene dato il nome di gas ideale o perfetto. Un gas si dice ideale quando:
• è costituito da molecole puntiformi, cioè di dimensioni trascurabili;
• si ritengono nulli i legami molecolari
Praticamente, le due proprietà summenzionate sopra sono soddisfatte quando un gas è lontano dal suo punto
di liquefazione: ciò comporta che un qualsiasi gas può essere considerato ideale quando purché sia lontano
dal suo punto di liquefazione.
Ne segue che un gas non è mai perfetto o no di “per se stesso”: dipende dalle condizioni in cui si trova. Il gas
metano, che sulla terra è un gas praticamente perfetto, su Titano, satellite di Saturno, a causa delle basse
temperature si liquefa producendo fiumi i laghi. All’opposto, alle temperature stellari qualsiasi composto che
sulla Terra sarebbe liquido o solido si trasforma in gas così caldo da essere perfetto.
Sulla Terra, tutti i gas della nostra atmosfera sono praticamente dei gas perfetti. C’è soltanto
un’unica eccezione. Pensaci… pensaci ancora… bravo! Il vapor acqueo! Se è sufficientemente denso esso a
temperatura ambiente condensa producendo ghiaccio o pioggia: in questo caso non è più trattabile come gas
perfetto e deve essere studiato a parte.
Leggi del gas perfetto
L’importanza pratica di un gas ideale è che esso segue sempre le solite leggi indipendentemente dalle
sue proprietà chimico-fisiche. In altre parole: qualsiasi gas, indipendentemente dalla sua composizione
chimica, massa, temperatura, tipo di trasformazione a cui è sottoposto, ecc. segue sempre le solite leggi
purché sia lontano dal suo punto di liquefazione.
Le quattro grandezze principali di un gas, volume (V), pressione (p), temperatura (T) e numero di moli
(n) non sono indipendenti ma sono legate fra loro da ben precise equazioni: in altre parole, io non posso
cambiare liberamente ognuna delle quattro grandezze sopracitate senza cambiare anche le altre secondo delle
leggi ben precise. Le equazioni dei gas perfetti sono state trovate nel 1.662 da Boyle e nel 1802 da GayLussac: esse legano le quattro grandezze di cui sopra insieme.
in una trasformazione a temperatura costante (isoterma), il prodotto pressione x
volume rimane costante (Legge di Boyle)
In formule: PV = cost
(T cost.)
in una trasformazione a pressione costante (isobara) la pressione è proporzionale alla
temperatura in Kelvin (1° Legge di gay-Lussac)
In formule: p1/T1 = p2/T2 (V cost) , con la temperatura espressa in Kelvin.
in una trasformazione a volume costante (isocora) la pressione è proporzionale alla
temperature in Kelvin (2° Legge di gay-Lussac)
In formule: V1/T1 = V2/T2 (p cost) , con la temperatura espressa in Kelvin.
fissata temperatura e volume , la pressione è direttamente proporzionale al numero di
moli
In formule: p n (p e V cost e di conseguenza anche T cost)
Tutte queste quattro leggi sono raggruppabili in un’unica equazione che lega insieme p,V,T,n: tale equazione
si chiama equazione di stato dei gas perfetti:
equazione di stato del gas perfetto
pV = nRT , T in kelvin
R è la costante dei gas perfetti, il cui valore risulta essere [ R = 8,314472 (pressione in
Pascal, volume in m3) o alternativamente R=0,08205784 (pressione in atm, volume in litri=dm3) ]
Le due leggi di Gay-Lussac sono analizzate con un minimo di dettaglio negli appunti “Leggi di Gay-Lussac”. La
dimostrazione della legge generale dei gas perfetti è dimostrata negli appunti “EQUAZIONE DI STATO DEL
GAS PERFETTO”. Un video che riassume e descrive le leggi del gas perfetto è mostrato a questo indirizzo:
https://www.youtube.com/watch?v=OkMiwmeJVYk
