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Primo principio della termodinamica: un’introduzione

Primo principio della termodinamica

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Cos’è il primo principio della termodinamica?

I principi di conservazione sono tra i più importanti della Fisica: essi affermano che una certa quantità di interesse fisico rimane invariata nel tempo. Tra di essi spicca il principio di conservazione dell’energia, secondo il quale l’energia totale di un sistema fisico isolato rimane invariata nel tempo, pur potendo subire delle trasformazioni da una forma all’altra.

Il calore è una particolare forma di energia, e i suoi scambi e trasformazioni sono il principale oggetto di studio della Termodinamica. Risulta quindi inevitabile stabilire una versione del principio di conservazione dell’energia che sia di facile applicabilità nell’ambito dello studio dei processi termodinamici.

In questo articolo esaminiamo il primo principio della termodinamica, che è esattamente la versione del principio di conservazione dell’energia, formulato per studiare gli scambi di calore e lavoro tra sistemi termodinamici.

 

Sommario

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Articolo introduttivo sul primo principio della termodinamica, che regola gli scambi di calore e lavoro in sistemi termodinamici.

 

Autori e revisori

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Autori: Luigi De Masi,Valerio Brunetti.

 

Primo principio della termodinamica: formulazione

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Un sistema termodinamico è definito come una porzione di materia ben delineata, che può o meno interagire con il cosiddetto ambiente esterno, cioè con la materia che non fa parte del sistema.

Un sistema termodinamico può appunto scambiare calore e lavoro con l’esterno e possiede una propria energia interna.

  • Il calore è una forma di energia che si trasferisce spontaneamente dai corpi a temperatura maggiore verso i corpi a temperatura minore.
  • Il lavoro è un trasferimento di energia da un corpo all’altro che si verifica quando agiscono delle forze tra di essi, che ne causano uno spostamento relativo.
  • Ogni corpo, e quindi anche ogni sistema termodinamico, possiede, per il solo fatto di avere una temperatura, una propria energia interna, dovuta all’agitazione costante a cui sono sottoposte le sue molecole.

Tali forme e scambi di energia interagiscono dando luogo a una grande varietà di trasformazioni, regolate dal primo principio della termodinamica: 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

\[\Delta U = Q + L,\]

dove

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

 

Primo principio della termodinamica: ulteriori letture

Consigliamo il seguente materiale per approfondimenti teorici e applicazioni pratiche relative al Primo principio della termodinamica:

 
 

Risorse didattiche aggiuntive per approfondire la matematica

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  • Math Stack Exchange – Parte della rete Stack Exchange, questo sito è un forum di domande e risposte specificamente dedicato alla matematica. È una delle piattaforme più popolari per discutere e risolvere problemi matematici di vario livello, dall’elementare all’avanzato.
  • Art of Problem Solving (AoPS) – Questo sito è molto noto tra gli studenti di matematica di livello avanzato e i partecipanti a competizioni matematiche. Offre forum, corsi online, e risorse educative su una vasta gamma di argomenti.
  • MathOverflow – Questo sito è destinato a matematici professionisti e ricercatori. È una piattaforma per domande di ricerca avanzata in matematica. È strettamente legato a Math Stack Exchange ma è orientato a un pubblico con una formazione più avanzata.
  • PlanetMath – Una comunità collaborativa di matematici che crea e cura articoli enciclopedici e altre risorse di matematica. È simile a Wikipedia, ma focalizzata esclusivamente sulla matematica.
  • Wolfram MathWorld – Una delle risorse online più complete per la matematica. Contiene migliaia di articoli su argomenti di matematica, creati e curati da esperti. Sebbene non sia un forum, è una risorsa eccellente per la teoria matematica.
  • The Math Forum – Un sito storico che offre un’ampia gamma di risorse, inclusi forum di discussione, articoli e risorse educative. Sebbene alcune parti del sito siano state integrate con altri servizi, come NCTM, rimane una risorsa preziosa per la comunità educativa.
  • Stack Overflow (sezione matematica) – Sebbene Stack Overflow sia principalmente noto per la programmazione, ci sono anche discussioni rilevanti di matematica applicata, specialmente nel contesto della scienza dei dati, statistica, e algoritmi.
  • Reddit (r/Math) – Un subreddit popolare dove si possono trovare discussioni su una vasta gamma di argomenti matematici. È meno formale rispetto ai siti di domande e risposte come Math Stack Exchange, ma ha una comunità attiva e molte discussioni interessanti.
  • Brilliant.org – Offre corsi interattivi e problemi di matematica e scienza. È particolarmente utile per chi vuole allenare le proprie capacità di problem solving in matematica.
  • Khan Academy – Una risorsa educativa globale con lezioni video, esercizi interattivi e articoli su una vasta gamma di argomenti di matematica, dalla scuola elementare all’università.