TERMODINAMICA EXPRESS La Temperatura riflette il movimento

Prof. Enrico Maria Bruti
TERMODINAMICA EXPRESS
La Temperatura riflette il movimento casuale delle particelle, ed è quindi correlata all’energia cinetica delle
molecole.
Il Calore coinvolge un trasferimento di energia tra due oggetti a temperatura differente.
Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperatura.
Quando un corpo caldo viene messo a contatto con un corpo freddo, del calore fluisce dal corpo caldo verso quello
freddo, aumentando la sua energia, sino a raggiungere l’equilibrio termico.
Un processo si dice
Esotermico: se il calore viene emesso dal sistema verso l’ambiente.
Endotermico: se il calore viene assorbito dal sistema e preso all’ambiente.
Un sistema può scambiare energia con l’ambiente mediante
- Calore scambiato
- Lavoro eseguito (dal sistema o dall’ambiente)
Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacità di compiere lavoro e quindi aumentiamo la sua energia
Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad esempio comprimendo un gas o tirando una
molla.
Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l’uno nell’altro
Joule provò l’equivalenza tra calore e lavoro meccanico.
Dopo aver variato l’Energia di un sistema, questo non “ricorda” se è stato eseguito del lavoro o se è stato
scambiato del calore.
Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro
Lavoro: W
Il Lavoro e’ energia ‘ordinata’ che puo’ essere utilizzata per sollevare un peso nell’Ambiente
Non puo’ essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il
.
lavoro. Il lavoro viene definito come il prodotto di uno forza per lo spostamento: L = F s
Calore: Q
Il Calore e’ energia ‘disordinata’ che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico.
NON puo’ essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato.
Non si puo’ parlare di Calore Contenuto in un corpo!! Solo di Energia contenuta.
Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano?
L’evidenza sperimentale portava a concludere che ogni corpo potesse immagazzinare l’energia internamente,
senza trasformarla in energia cinetica totale del corpo ponendolo in movimento.
La Termodinamica postula l’esistenza di una funzione E chiamata Energia Interna
Non era chiaro cosa fosse l’Energia Interna, e si dovette aspettare la meccanica quantistica per capirlo.
E’ la somma dell’Energia Cinetica, Potenziale e Molecolare (Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale,…) E
= Ep + Ec + Em
L’energia Interna PUO’ venire immagazzinata.
I principio
Esiste una Ei prima del processo e una Ef dopo il processo. Esiste quindi un ∆E = Ef - Ei
E e’ una funzione di stato (dipende solo dallo stato iniziale e finale del processo).
E si comporta come una “banca”. Eseguendo lavoro sul sistema, E immagazzina una quantità equivalente di
energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo
Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentali.
Calore e Lavoro sono equivalenti.
Esiste una funzione di stato chiamata E che rappresenta l’energia “interna” del sistema
Se il sistema è isolato (universo) Q = W = 0, per cui ∆E = 0: l’energia si conserva.
L’Energia dell’Universo è costante.
Prof. Enrico Maria Bruti
II principio
In fisica l'entropia è una grandezza che viene interpretata come una misura del caos di un sistema fisico o più in
generale dell'universo. Viene generalmente rappresentata dalla lettera S.
In termodinamica classica, il primo ambito storico di approccio, S è una funzione di stato, che quantificando
l'indisponibilità di un sistema a produrre lavoro, si introduce insieme al secondo principio della termodinamica. In
base a questa definizione si può dire, in forma non rigorosa ma esplicativa, che quando un sistema passa da uno
stato ordinato ad uno disordinato la sua entropia aumenta; questo fatto fornisce indicazioni sulla direzione in cui
evolve spontaneamente un sistema. Cioè i sistemi evolvono spontaneamente verso il massimo di entropia. Da qui
il secondo principio può essere sintetizzato con:
∆S (universo) > 0
Cioè l’entropia dell’universo tende sempre ad un massimo
Esistono diversi enunciati del secondo principio, tutti equivalenti, 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 freddo a uno caldo» o, equivalentemente, che « è impossibile costruire una macchina ciclica
che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola sorgente».
L'entropia totale di un sistema isolato rimane invariata quando si svolge una trasformazione reversibile ed aumenta
quando si svolge una trasformazione irreversibile.
III principio
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 della grandezza chiamata entropia. Esso afferma inoltre che l'entropia per un
solido perfettamente cristallino, alla temperatura di 0 kelvin è pari a 0.
S (0°k) = 0
È facile spiegare questo enunciato tramite la termodinamica molecolare: un solido perfettamente cristallino è
composto da un solo complessioma (sono tutti i modi di disporre le molecole, se le molecole sono tutte uguali
indipendentemente da come sono disposte, macroscopicamente il cristallo è sempre uguale) e, trovandosi a 0
kelvin, l'energia vibrazionale, traslazionale e rotazionale delle particelle che lo compongono è nulla.
L'energia libera di Gibbs è una funzione di stato usata in termodinamica e termochimica per rappresentare
l'energia libera nelle trasformazioni a temperatura e pressione costante e in chimica per determinare se, ad una
temperatura nota, una reazione chimica avviene spontaneamente o meno. Prende il nome dall'ingegnere, chimico
e fisico statunitense Josiah Willard Gibbs.
L'energia libera di Gibbs è definita come:
G=H-TS
dove H è l'entalpia, T la temperatura in ° K e S l' entropia.
In termini di variazioni: ∆G = ∆H - T∆S
Questa relazione indica che nelle trasformazioni a temperatura e pressione costanti l'energia libera di Gibbs
diminuisce per un processo spontaneo (DG negativo) mentre è ad un valore minimo (DG nullo) per un processo
reversibile, cioè in condizioni di equilibrio. Se DG invece è positivo ci si trova di fronte ad un evento
termodinamicamente impossibile.
NOTA
Assumendo che l'intero universo sia un sistema isolato - ovvero un sistema per il quale è impossibile scambiare
materia ed energia con l'esterno - il primo ed il secondo principio della termodinamica possono essere riassunti da
un'unica frase: “ l'energia totale dell'universo è costante e l'entropia totale è in continuo aumento, fino a
raggiungere un equilibrio.”
valida per qualsiasi sistema isolato.
Prof. Enrico Maria Bruti
In altre parole ciò significa che non solo non si può né creare né distruggere l'energia, ma nemmeno la si può
completamente trasformare da una forma in un'altra senza che una parte venga dissipata sotto forma di calore.
Se per esempio si brucia un pezzo di carbone, la sua energia si conserva e si converte in energia contenuta
nell'anidride carbonica, nell'anidride solforosa e negli altri residui di combustione oltre che naturalmente in forma di
calore. Per quanto non si sia persa energia nel processo, sappiamo che non possiamo invertire il processo di
combustione e ricreare dai suoi scarti il pezzo di carbone originale.
La spiegazione si trova nel secondo principio della termodinamica che può così essere parafrasato:
ogni volta che una certa quantità di energia viene convertita da uno stato ad un altro si ha una penalizzazione che
consiste nella degradazione di una parte dell'energia stessa in forma di calore, in particolare questa parte non sarà
più utilizzabile per produrre lavoro.
Lo stato in cui l'entropia raggiunge il massimo livello e non vi è più energia libera disponibile per compiere ulteriore
lavoro è detto stato di equilibrio. Per l'intero universo concepito come sistema isolato ciò significa che la
progressiva conversione di lavoro in calore (per il principio di aumento dell'entropia totale), a fronte di una massa
dell'universo finita, porterà infine ad uno stato in cui l'intero universo si troverà in condizioni di temperatura
uniforme; la cosiddetta morte termica dell'Universo.
L'entropia caratterizza il verso di qualunque trasformazione reale come trasformazione irreversibile: infatti anche
tornando da uno stato finale a uno identico allo stato iniziale (per temperatura, volume, pressione o altri parametri,
come continuamente avviene nei cicli di una centrale) almeno una variabile fisica differirebbe dal punto da cui si è
partiti, l'entropia (che inevitabilmente aumenta).
Ogni trasformazione reale è una trasformazione irreversibile perché l'entropia aumenta; l'ipotesi di idealità equivale
appunto all'ipotesi di una variazione d'entropia nulla.
Schema Sistema/Ambiente: