I Principi della Termodinamica
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
I due principi alla base di tutte le trasformazioni energetiche sono il Primo e il Secondo Principi della termodinamica.
Il primo principio è un principio di conservazione dell'energia, infatti una delle formulazioni più note del Primo principio
della termodinamica è che nulla si crea e nulla si distrugge.
Da questo postulato si può determinare che:
Per un sistema isolato (ovvero senza flussi di energia che vengono dall'esterno) l'energia è costante.
Il primo principio della termodinamica (o anche Legge della conservazione dell'energia) sta alla base di tutta la fisica.
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 la temperatura finale dei due corpi è la stessa. Questo fenomeno è stato compreso
interpretando 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 da Joule che il calore, misurato originariamente
in calorie, e il lavoro o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente equivalenti. Questa equivalenza è il cardine del primo
principio della termodinamica. Ogni caloria equivale a 4,186 joule.
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.
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Il secondo principio della termodinamica si fonda sull'introduzione di una nuova funzione di stato, l'entropia, e di due
postulati che ne regolano le caratteristiche.
Il secondo principio è fondamentale, in quanto stabilisce il verso delle interazioni termodinamiche, ovvero chiarisce perché
una trasformazione avviene spontaneamente in un modo piuttosto che in un altro; basti pensare al calore che fluisce
naturalmente da una sorgente più calda ad una più fredda: il contrario è impossibile. Impossibilità, questa, non deducibile
affatto dal I principio della termodinamica.
Presenteremo il modo più pragmatico per spiegare questo principio che è legato ad una fenomenologia fisica attraverso la
quale si manifesta il II principio.
Esistono molte formulazioni equivalenti di questo principio. Quelle che storicamente si sono rivelate più importanti sono:
-dalla formulazione di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire
calore da un corpo più freddo a uno più caldo.
-dalla formulazione di Kelvin-Planck: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato preveda che tutto il
calore assorbito da una sorgente omogenea sia interamente trasformato in lavoro.
-Non è possibile - nemmeno in linea di principio - realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.
Nella fisica moderna però la formulazione più ampiamente usata è quella che si basa sulla funzione entropia:
In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo.
Questo principio ha avuto, da un punto di vista storico, un impatto notevole. Infatti implicitamente sancisce l'impossibilità
di realizzare il moto perpetuo cosiddetto di seconda specie e tramite la non reversibilità dei processi termodinamici definisce
una freccia del tempo.
Questo blog, come ho già detto, intende fare una descrizione, quanto più completa, dei tipi di energia
rinnovabile attualmente in uso o ancora oggetto di studi.
Per far questo, c’è bisogno di una piccola spiegazione di cosa effettivamente sia l’energia.
La parola energia viene dal greco “energheia”, termine usato da Aristotele nel senso di azione efficace,
composto da en, particella intensiva, ed ergon (=capacità di agire), opposto a dunamis (=forza in
potenza).
Nel 1619 Keplero usò il termine nell'accezione moderna di energia fisica, ovvero per indicare la
capacità di un corpo di compiere un lavoro.
Matematicamente l'energia è legata attraverso un calcolo d'integrazione alla forza.
In fisica esistono quattro tipi principali di forze (interazione tra due corpi):
-Nucleare forte, cioè quella che lega protoni e neutroni nel nucleo dell'atomo ed è quindi legata a
fissione e fusione nucleare (di cui si parlerà più avanti).
-Nucleare debole, che è responsabile del decadimento radioattivo degli atomi instabili (processo
naturale per il quale un atomo con il passare del tempo perde particelle e quindi cambia le sue
proprietà)
-Elettromagnetica
-Gravitazionale
A questi quattro tipi di forze corrispondono necessariamente quattro tipi di energia (nucleare forte e
debole, elettromagnetica e gravitazionale).
