Premessa alla termodinamica
Come abbiamo già visto, l’energia può essere trasferita da un corpo ad un altro attraverso uno scambio di calore, o attraverso l’azione di una forza che compie un lavoro.
La termodinamica è la disciplina che studia proprio le leggi con cui i sistemi scambiano energia con l’ambiente.
Ricordiamo che in ambito chimico e fisico si intende per sistema l’insieme di corpi che è oggetto di studio; spesso questi sono racchiusi da una superficie chiusa, che può lasciar passare materia ed energia; l’ambiente, invece, è tutto ciò che è circostante al sistema.
Quando si esamina un determinato sistema, che può essere, per esempio, un cilindro chiuso contenente un gas, esso viene descritto da tre grandezze fondamentali; queste sono il volume, la temperatura e la pressione. Si parla, quindi, di stato del sistema.
Può capitare che il sistema che stiamo considerando presenti al suo interno un qualsiasi fluido, non necessariamente un gas; l’importante è che tale fluido possa essere descritto da un’equazione che relazioni le grandezze fondamentali che descrivono il suo stato. In questo caso, il fluido viene definito, in termodinamica, fluido omogeneo.
Un’importante caratteristica di un sistema è, come abbiamo già visto nel caso dei gas perfetti, l’energia interna; questa viene espressa come energia totale del sistema, cioè somma di tutte le energie del sistema stesso.
L’energia interna
L’energia interna è una funzione di stato, cioè una grandezza fisica che dipende solo dalle condizioni iniziale e finale del sistema; questa grandezza non dipende dalle trasformazioni intermedie che esso ha subito nel passaggio tra i due stati.
La variazione di energia interna ∆U, infatti, è data dalla differenza dell’energia interna nello stato finale e quella nello stato iniziale:
$∆U = U_f – U_i $
nel calcolo non si tiene conto della particolare trasformazione che ha portato a questa variazione di energia.
L’energia interna di un sistema, inoltre, dipende dalla quantità di materia che costituisce il sistema fisico in questione, o dal numero di particelle che lo costituiscono; infatti, come sappiamo, l’energia interna può essere espressa, nel caso di un gas perfetto, dalla seguente formula:
$U = l/2 Nk_BT $
dove N indica proprio il numero di molecole del gas.
Una grandezza come l’energia interna, che dipende dalla quantità di materia del sistema in esame, viene definita grandezza estensiva. Le grandezze che invece non dipendono dalla massa o dalle molecole del sistema fisico oggetto di studio vengono dette intensive.
Con queste premesse possiamo esaminare il comportamento dei sistemi fisici quando avvengono scambi di calore, e quindi di energia, da un sistema all’altro, o con l’ambiente esterno.
Il principio zero della termodinamica
Il principio zero della termodinamica trova applicazione in tutti i casi in cui il sistema in esame presenti la stessa pressione e la stessa temperatura in tutti i suoi punti; ovvero che esso si trovi in equilibrio termodinamico.
L’equilibrio termodinamico prevede che il corpo in questione sia in equilibrio anche da punto di vista meccanico, termico e chimico; cioè che la risultante delle forze esterne che agiscono sul sistema sia uguale a zero; che la temperatura del corpo sia uniforme in ogni suo punto; e che la struttura interna e la composizione chimica del corpo rimangano inalterate.
Sotto queste ipotesi possiamo enunciare il principio zero, secondo il quale se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B, e anche un corpo C è in equilibrio termico con B, allora i corpi A e C sono in equilibrio termico tra loro.
Per esempio, ipotizziamo di misurare con un termometro la temperatura di un corpo A, e di ottenere un valore di 30° C. Ciò significa che, se il termometro inizialmente era azzerato, ora si è instaurato un equilibrio termico tra i due corpi; sia A che il termometro si trovano infatti alla temperatura di 30°C.
Se il termometro viene messo in contatto con un corpo B e la sua temperatura non varia, significa che il termometro è in equilibrio termico anche con B; di conseguenza anche il corpo B avrà una temperatura di 30°C. Possiamo concludere che i corpi A e B sono in equilibrio termico tra loro.
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