È il termine usato per racchiudere la serie di studi ed esperimenti che vengono condotti secondo le leggi della fisica, che analizzano in dettaglio l' equilibrio degli elementi terrestri, nonché come il calore e l'energia influenzano la vita sul pianeta e materiali che lo compongono. Da questo è stato possibile creare diverse macchine che aiutano nei processi industriali. La parola deriva dalle parole greche θερμο e δύναμις, che significano "termo" e "calore".
Cos'è la termodinamica
Sommario
La definizione di termodinamica indica che è la scienza che si occupa nello specifico delle leggi che governano la trasformazione dell'energia termica in energia meccanica e viceversa. Si basa su tre principi fondamentali e ha evidenti implicazioni filosofiche e consente anche la formulazione di concetti che sono tra i più ampi in fisica.
All'interno di questo, vengono utilizzati diversi metodi di indagine e apprezzamento degli oggetti richiesti, come le grandezze estensive e non estensive: quello estensivo studia l' energia interna, la composizione molare o il volume e il secondo, da parte sua, studia la pressione, temperatura e potenziale chimico; anche così, altre grandezze vengono utilizzate per un'analisi accurata.
Cosa studia la termodinamica
La termodinamica studia gli scambi di energia termica tra i sistemi ed i fenomeni meccanici e chimici che tali scambi implicano. In particolare si occupa di studiare i fenomeni in cui avviene la trasformazione dell'energia meccanica in energia termica o viceversa, fenomeni che vengono chiamati trasformazioni termodinamiche.
È considerata una scienza fenomenologica, poiché si concentra sugli studi macroscopici di oggetti e altri. Allo stesso modo, si avvale di altre scienze per poter spiegare i fenomeni che cerca di identificare nei suoi oggetti di analisi, come la meccanica statistica. I sistemi termodinamici utilizzano alcune equazioni che aiutano a mescolare le loro proprietà.
Tra i suoi principi di base si trova quello dell'energia, che può essere trasferita da un corpo all'altro, attraverso il calore. Si applica a molte aree di studio come l' ingegneria, oltre a collaborare allo sviluppo di motori, studiare cambiamenti di fase, reazioni chimiche e buchi neri.
Cos'è un sistema termodinamico
Il corpo, o insieme di corpi, su cui avviene una trasformazione termodinamica è chiamato sistema termodinamico. Lo studio di un sistema si fa a partire dallo stato, cioè dalle sue condizioni fisiche in un dato momento. A livello microscopico, questo stato può essere descritto da coordinate o variabili termiche, come massa, pressione, temperatura, ecc., Che sono perfettamente misurabili, ma a livello microscopico, le frazioni (molecole, atomi) che costituiscono il sistema e identificare l'insieme di posizioni e velocità di queste particelle da cui dipendono le proprietà microscopiche.
Inoltre, un sistema termodinamico è una regione dello spazio che è soggetta allo studio in corso e che è limitata da una superficie che può essere reale o immaginaria. La regione al di fuori del sistema che interagisce con esso è chiamata ambiente di sistema. Il sistema termodinamico interagisce con il suo ambiente attraverso lo scambio di materia ed energia.
La superficie che separa l'impianto dal resto del suo contesto si chiama muro, e in base alle sue caratteristiche sono classificate in tre tipologie che sono:
Sistema termodinamico aperto
È lo scambio tra energia e materia.
Sistema termodinamico chiuso
Non scambia materia, ma scambia energia.
Sistema termodinamico isolato
Non scambia materia o energia.
Principi di termodinamica
La termodinamica ha alcuni fondamenti che determinano le grandezze fisiche di base che rappresentano i sistemi termodinamici. Questi principi spiegano come è il loro comportamento in determinate condizioni e prevengono l'emergere di determinati fenomeni.
Si dice che un corpo sia in equilibrio termico quando il calore che percepisce ed emette è uguale. In questo caso la temperatura di tutti i suoi punti è e rimane costante. Un caso paradossale di equilibrio termico è un ferro esposto al sole.
La temperatura di questo corpo, una volta raggiunto l'equilibrio, rimane superiore a quella dell'ambiente perché il continuo apporto di energia solare è compensato da quella che il corpo irradia e la perde con la sua conduzione e convezione.
Il principio zero della termodinamica o la legge zero della termodinamica è presente quando due corpi in contatto sono alla stessa temperatura dopo aver raggiunto l'equilibrio termico. È facilmente intuibile che il corpo più freddo si riscalda e quello più caldo si raffredda, e quindi il flusso di calore netto tra di loro diminuisce al diminuire della loro differenza di temperatura.
"> Caricamento in corso…Prima legge della termodinamica
Il primo principio della termodinamica è il principio della conservazione dell'energia (propriamente e in accordo con la teoria della relatività della materia-energia) secondo il quale non viene né creata né distrutta, sebbene possa essere trasformata in un certo modo ad un altro.
La generalizzazione del principio energetico permette di affermare che la variazione della forza interna di un sistema è la somma del lavoro svolto e trasferito, affermazione logica poiché è stato stabilito che lavoro e calore sono le modalità di trasferimento dell'energia e che non creare o distruggere.
Per energia interna di un sistema si intende la somma delle diverse energie e di tutte le particelle che lo compongono, quali: energia cinetica di traslazione, rotazione e vibrazione, energia di legame, coesione, ecc.
Il primo principio è stato talvolta affermato come l'impossibilità dell'esistenza del motivo perpetuo del primo tipo, cioè la possibilità di produrre lavoro senza consumare energia in nessuno dei modi in cui si manifesta.
Secondo principio della termodinamica
Questo secondo principio si occupa dell'irreversibilità degli eventi fisici, soprattutto al momento di un trasferimento di calore.
Un gran numero di fatti sperimentali dimostrano che le trasformazioni che avvengono naturalmente hanno un certo significato, senza mai essere osservate, che si attua spontaneamente nella direzione opposta.
Il secondo principio della termodinamica è una generalizzazione di ciò che l'esperienza insegna sul senso in cui avvengono le trasformazioni spontanee. Supporta varie formulazioni che sono effettivamente equivalenti. Lord Kelvin, fisico e matematico britannico, lo affermò in questi termini nel 1851 "È impossibile effettuare la trasformazione il cui unico risultato è la conversione in opera del calore estratto da un'unica fonte di temperatura uniforme"
Questa è una delle leggi più importanti della termodinamica in fisica; Sebbene possano essere formulati in molti modi, tutti portano alla spiegazione del concetto di irreversibilità e di quello di entropia. Il fisico e matematico tedesco Rudolf Clausius ha stabilito una disuguaglianza che è correlata tra le temperature di un numero arbitrario di sorgenti termiche e le quantità di calore assorbite da esse fornite, quando una sostanza attraversa un processo ciclico, reversibile o irreversibile, scambiando calore con le fonti.
In una centrale idroelettrica, l'energia elettrica viene prodotta dall'energia potenziale dell'acqua arginata. Questa potenza si trasforma in energia cinetica quando l'acqua scende attraverso i tubi e una piccola parte di questa energia cinetica si trasforma nella forza cinetica rotazionale di una turbina, il cui asse è solidale con l'asse dell'induttore di un alternatore che genera la forza elettrico.
Il primo principio della termodinamica ci permette di garantire che nei cambiamenti da una forma di energia all'altra non ci sia stato né un aumento né una diminuzione della potenza iniziale, il secondo principio ci dice che parte di quell'energia sarà stata bruciata come calore.
Terzo principio della termodinamica
La terza legge è stata sviluppata dal chimico Walther Nernst durante gli anni 1906-1912, motivo per cui viene spesso definita teorema di Nernst o postulato di Nernst. Questo terzo principio della termodinamica dice che l'entropia di un sistema zero assoluto è una costante definita. Questo perché c'è un sistema a temperatura zero nel suo stato fondamentale, quindi la sua entropia è determinata dalla degenerazione dello stato fondamentale. Nel 1912, Nernst stabilì la legge così: "È impossibile con qualsiasi procedura raggiungere l'isoterma T = 0 in un numero finito di passi"
Processi termodinamici
Nel concetto di termodinamica, i processi sono i cambiamenti che avvengono in un sistema e che lo portano da uno stato di equilibrio iniziale a uno stato di equilibrio finale. Questi sono classificati in base alla variabile che è stata mantenuta costante durante tutto il processo.
Un processo può verificarsi dallo scioglimento del ghiaccio, fino all'accensione della miscela aria-carburante per eseguire il movimento dei pistoni in un motore a combustione interna.
Ci sono tre condizioni che possono variare in un sistema termodinamico: temperatura, volume e pressione. I processi termodinamici sono studiati nei gas, poiché i liquidi sono incomprimibili e non si verificano variazioni di volume. Inoltre, a causa delle alte temperature, i liquidi si trasformano in gas. Nei solidi non vengono effettuati studi termodinamici perché sono incomprimibili e su di essi non sono presenti lavori meccanici.
Tipi di processi termodinamici
Questi processi sono classificati in base al loro approccio, per mantenere costante una delle variabili, temperatura, pressione o volume. Inoltre, vengono applicati altri criteri, come lo scambio di energia e la modifica di tutte le sue variabili.
Processo isotermico
I processi isotermici sono tutti quelli in cui la temperatura dell'impianto rimane costante. Questo viene fatto lavorando, in modo che le altre variabili (P e V) cambino nel tempo.
Processo isobarico
Il processo isobarico è quello in cui la pressione rimane costante. La variazione di temperatura e volume ne definirà lo sviluppo. Il volume può cambiare liberamente quando la temperatura cambia.
Processi isocorici
Nei processi isocorici il volume rimane costante. Possono anche essere considerati come quelli in cui il sistema non genera lavoro (W = 0).
Fondamentalmente, sono fenomeni fisici o chimici che vengono studiati all'interno di qualsiasi contenitore, con agitazione o meno.
Processo adiabatico
Il processo adiabatico è quel processo termodinamico in cui non c'è scambio di calore dal sistema verso l'esterno o nella direzione opposta. Esempi di questo tipo di processo sono quelli che possono essere eseguiti in un thermos per bevande.
"> Caricamento in corso…Esempi di processi termodinamici
- Un esempio del processo isocoro: il volume del gas viene mantenuto costante. Quando si verifica qualsiasi tipo di variazione di temperatura, sarà accompagnata da una variazione di pressione. Come nel caso del vapore in una pentola a pressione, aumenta la sua pressione man mano che si riscalda.
- Ad esempio del processo isotermico: la temperatura del gas rimane costante. All'aumentare del volume la pressione diminuisce. Ad esempio, un palloncino in una macchina per il vuoto aumenta il suo volume quando viene creato il vuoto.
- In relazione al processo adiabatico: ad esempio, la compressione del pistone in una pompa di gonfiaggio di un pneumatico di bicicletta, o la decompressione rapida dello stantuffo di una siringa, comprimendolo preventivamente con il foro di uscita tappato.
