Termodinamica: un’introduzione

L’energia, uno dei concetti più universali e allo stesso tempo più astratti della Fisica, assume varie forme e viene scambiata in diversi modi. Tra quelle a cui viene più semplice pensare vi è il calore. Questa forma di energia è legata all’agitazione costante degli atomi e delle molecole che compongono la materia dell’universo. Il concetto di temperatura è appunto una misura dell’intensità di tale stato di agitazione molecolare. Per il solo fatto di esistere ed essere composta da molecole in agitazione, i corpi contengono un’energia, detta appunto energia interna. La temperatura, dunque, costituisce una sorta di misura della “densità” di questa energia interna, che può essere trasferita da un corpo all’altro in molti modi. Abbiamo già visto che il calore è una di queste forme di energia, che possiamo definire come una forma di energia che si trasferisce dai corpi più caldi a quelli più freddi, cioè dai corpi a maggiore temperatura verso quelli a temperatura inferiore.

L’energia, come ben noto, può trasferirsi da un corpo all’altro in vari modi, e un’altra modalità in cui questo trasferimento può avvenire è appunto il lavoro. Il lavoro si verifica quando un corpo applica una forza su un’altro e contestualmente avviene uno spostamento relativo tra essi, causando un trasferimento di energia tra i due corpi.

Tra questi concetti vi sono interessanti legami, che la Termodinamica si propone di descrivere col rigore della scienza fisica.

Il principio consente quindi di dare una definizione astratta di temperatura: la caratteristica che accomuna tutti i corpi che si trovano all’equilibrio termico.

Oltre a questa definizione astratta, sul principio zero si basa la misura operativa di temperatura mediante un termometro: mettendo a contatto un corpo “di prova” , detto appunto termometro, con un altro corpo , e aspettando un tempo sufficientemente lungo affinché si raggiunga l’equilibrio termico, si può dedurre la temperatura del corpo grazie alle modifiche che si osservano nel corpo .

Dunque questo principio è anche alla base della definizione delle scale di temperatura.

Una risposta esaustiva è data dal primo principio: esso afferma che, per un determinato sistema fisico inteso come un ben definito insieme di materia, la variazione della sua energia interna è pari alla somma del calore assorbito dall’ambiente esterno e dal lavoro svolto sul sistema dall’ambiente esterno. In formule

dove

• è l’energia interna del sistema e è la sua variazione, ovvero , cioè la differenza tra energia interna all’istante finale e all’istante iniziale del trasferimento;
• è il calore che il sistema ha assorbito dall’ambiente esterno; è quindi la somma con segno positivo del calore realmente assorbito dal sistema e con segno negativo del calore ceduto dal sistema all’ambiente esterno;
• è il lavoro svolto sul sistema dall’ambiente esterno; come per il calore, è la somma con segno positivo dei lavori effettuati sul sistema, mentre i lavori effettuati dal sistema sull’esterno possiedono segno negativo.

Il primo principio della termodinamica è quindi una forma del principio di conservazione dell’energia, applicato al contesto degli scambi di calore e lavoro tra corpi.

Il primo principio della termodinamica stabilisce che l’energia interna di un corpo può aumentare se del lavoro viene svolto su di esso, oppure può diminuire se il corpo svolge lavoro sul sistema esterno. Sembrerebbe che queste alternative siano equivalenti dal punto di vista energetico, però sappiamo che esse non si verificano con la stessa frequenza nella realtà fisica: osserviamo continuamente come del lavoro si trasforma in calore (ad esempio a causa delle forze di attrito); di contro, non osserviamo mai che un corpo caldo e inizialmente fermo utilizzi spontaneamente parte della sua energia interna per acquisire energia cinetica e/o compiere lavoro sull’esterno.

Sembrerebbe, cioè, che alcuni scambi di energia siano più spontanei di altri; equivalentemente, se si osservano i fenomeni allo scorrere del tempo, si verificano solo alcune trasformazioni di energia, mentre altre si verificherebbero solo invertendo la direzione del tempo.

Il secondo principio della termodinamica introduce una nuova grandezza, detta entropia , per spiegare questa asimmetria: in un processo irreversibile si ha

ovvero l’entropia aumenta più del rapporto tra calore scambiato e temperatura del corpo. In un processo reversibile (soltanto ideale) varrebbe l’uguaglianza. Tale legge stabilisce l’efficienza massima di qualunque macchina termica e sancisce l’impossibilità del moto perpetuo.

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