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:
- 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.
- 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).
- 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.
- 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: