Cos'è termodinamica?

Termodinamica: Fondamenti e Principi

La termodinamica è la branca della fisica che studia l'energia e le sue trasformazioni, in particolare il calore e il lavoro, e la loro relazione con le proprietà della materia. Si basa su un insieme di principi fondamentali che descrivono il comportamento dell'energia nei sistemi macroscopici.

Concetti Chiave

  • Sistema Termodinamico: La porzione di universo che stiamo studiando. Può essere aperto, chiuso o isolato.
  • Ambiente: Tutto ciò che non fa parte del sistema.
  • Confine: La superficie che separa il sistema dall'ambiente.
  • Stato Termodinamico: Descritto da un insieme di variabili di stato (pressione, volume, temperatura, ecc.).
  • Processo Termodinamico: Una trasformazione che porta il sistema da uno stato iniziale a uno stato finale.

Leggi della Termodinamica

La termodinamica si basa su quattro leggi fondamentali:

  1. Legge Zero della Termodinamica: Se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora sono in equilibrio termico tra loro. Definisce il concetto di temperatura.
  2. Primo Principio della Termodinamica: L'energia interna di un sistema isolato rimane costante. È la legge di conservazione dell'energia. ΔU = Q - W (variazione di energia interna = calore assorbito - lavoro compiuto).
  3. Secondo Principio della Termodinamica: L'entropia di un sistema isolato tende ad aumentare nel tempo. Introduce il concetto di irreversibilità e direzione dei processi termodinamici.
  4. Terzo Principio della Termodinamica: L'entropia di un sistema tende a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto.

Funzioni di Stato

Le funzioni di stato sono proprietà del sistema che dipendono solo dallo stato attuale del sistema, e non dal percorso seguito per raggiungerlo. Esempi importanti sono:

  • Energia Interna (U): L'energia totale contenuta nel sistema.
  • Entalpia (H): U + PV (energia interna + pressione x volume).
  • Entropia (S): Una misura del disordine del sistema.
  • Energia Libera di Gibbs (G): H - TS (entalpia - temperatura x entropia). Utile per determinare la spontaneità di una reazione a pressione e temperatura costanti.
  • Energia Libera di Helmholtz (A): U - TS (energia interna - temperatura x entropia). Utile per determinare la spontaneità di una reazione a volume e temperatura costanti.

Applicazioni

La termodinamica ha applicazioni in numerosi campi, tra cui: