principi della termodinamica

I principi della termodinamica 

La Termodinamica è una scienza derivata dalla fisica e che studia in particolare le trasformazioni termodinamiche in un qualsiasi sistema. Le trasformazioni termodinamiche interessano il passaggio di calore a lavoro e viceversa, con differenti mutamenti nelle variabili di stato temperatura ed energia di sistema.

La Termodinamica studia gli scambi energetici tra i sistemi e l’ambiente esterno, le relazioni esistenti tra le diverse forme di energia, e la loro conversione da una forma all’altra; studia inoltre la conversione dell’energia termica derivante dalla combustione in energia meccanica.

Ci sono due differenti punti di vista per i principi della termodinamica. Seguendo l’approccio microscopico, si studia il comportamento del sistema considerando le singole molecole di cui è composto. Questa analisi risulta complessa, dato l’enorme numero di parametri da determinare. Seguendo l’approccio macroscopico, il sistema termodinamico viene individuato con poche coordinate riferite al sistema nella sua globalità, senza considerare la struttura molecolare o atomica del sistema.

 

 

Primo principio della termodinamica

 

Il primo principio, nella sua formulazione generale, collega il lavoro ed il calore all’energia interna che può rimanere immagazzinata in un sistema se esso subisce una trasformazione non ciclica.

Sia il lavoro che il calore sono delle energie in transito:

 

  • il lavoro è la trasmissione di energia tra sistema ed esterno per mezzo dello spostamento dei punti di applicazione delle forze;
  • il calore è l’energia trasferita in virtù di una differenza di temperatura.

 

 

L’equivalenza tra lavoro e calore è stata messa in evidenza da Joule, con una serie di celebri esperienze, effettuate tra il 1843 ed il 1848, le quali possono essere riassunte nel modo seguente. Joule aveva costruito un dispositivo, consistente in un recipiente pieno d’acqua nel quale è immerso un mulinello azionabile con pesi. Per effetto delle forze di attrito interno, il moto di agitazione dell’acqua dopo un certo tempo si estingue, con un innalzamento della temperatura dell’acqua stessa. Ponendo subito il recipiente in un calorimetro, dopo aver rimosso l’isolante, è possibile calcolare la quantità di calore trasmessa al fluido calorimetrico, affinché l’acqua nel recipiente si raffreddi fino alla temperatura del fluido calorimetrico. Joule ha osservato che, ripetendo varie volte l’esperimento con diversi valori del lavoro L dei pesi e del calore Q ceduto dal sistema, il rapporto J tra il lavoro ed il calore rimane costante, ovvero esiste una proporzionalità tra lavoro e calore scambiati nella trasformazione complessiva del sistema, che è ciclica in quanto la temperatura dell’acqua nel recipiente ritorna allo stesso valore iniziale (l’acqua nel recipiente ed il fluido calorimetrico erano inizialmente alla stessa temperatura).

 

 

Secondo principio della termodinamica

 

L’enunciato del II° principio secondo Kelvin e Planck è il seguente:

E’ impossibile realizzare una macchina termica nella quale il calore assorbito da un serbatoio caldo venga convertito completamente in lavoro. Infatti, grazie a questo principio scopriamo come sia impossibile costruire una macchina perfetta con un rendimento pari ad 1! Infatti, si definisce rendimento di una macchina termica il rapporto tra l’effetto utile della macchina (lavoro motore prodotto) e la spesa, ovvero l’energia termica fornita alla macchina per produrre tale lavoro (quantità di calore Q1).

 

Esiste anche un secondo enunciato del secondo principio della termodinamica, che riguarda le macchine frigorifere e si deve a Clausius. L’enunciato asserisce:

E’ impossibile realizzare una macchina frigorifera nella quale il calore assorbito da un serbatoio freddo venga trasferito ad un serbatoio caldo senza spendere alcun lavoro meccanico. I risultati degli studi di Clausius sulle macchine frigorifere (mettendo in gioco i coefficienti di prestazioni delle macchine) portavano ad utilizzare le macchine frigorifere come pompe di calore (con ciclo di trasformazione inversa)

Infatti, se si usa un resistore elettrico per riscaldare, per 1 kW di potenza elettrica consumata si ha 1 kW di energia termica immessa nell’ambiente. Utilizzando la pompa di calore, con 1 kW di potenza elettrica spesa si hanno invece, nell ’esempio considerato, 4 kW di potenza termica; ovviamente i 3 kW di differenza vengono sottratti all’aria esterna, ovvero si riscalda l’ambiente raffreddando l’esterno. Nel periodo estivo, le pompe di calore sottraggono calore all’ambiente da raffrescare e lo trasferiscono all’esterno.

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