Leggi della termodinamica

Vi spieghiamo quali sono le leggi della termodinamica, qual è l'origine di questi principi e le principali caratteristiche di ciascuno.

1. Quali sono le leggi della termodinamica?

Quando parliamo delle leggi della termodinamica o dei principi della termodinamica, ci riferiamo alle formulazioni più elementari di questo ramo della fisica, interessate come suggerisce il nome (dal greco thermos, calor e dynamos, power, force ) nella dinamica del calore e altre forme di energia nota.

Queste leggi o principi della termodinamica sono un insieme di formule ed equazioni che descrivono il comportamento dei cosiddetti sistemi termodinamici, cioè di una porzione dell'universo teoricamente isolata a il suo studio e la sua comprensione, usando le sue quantità fisiche fondamentali: temperatura, energia ed entropia.

Esistono quattro leggi della termodinamica, elencate da zero a tre, e servono a comprendere le leggi fisiche dell'universo, nonché l'impossibilità di alcuni fenomeni come quello del moto perpetuo.

Vedi anche: Principio di conservazione dell'energia.

1. Origine delle leggi della termodinamica

I quattro principi della termodinamica hanno origini diverse e alcuni sono stati formulati dai precedenti . Il primo ad essere istituito, infatti, fu il secondo, opera del fisico e ingegnere francese Nicolols Licolson Sadi Carnot nel 1824.

Tuttavia, nel 1860 questo principio sarebbe stato nuovamente formulato da Rudolf Clausius e William Thompson, aggiungendo poi quella che ora chiamiamo la Prima Legge della Termodinamica. Più tardi apparirà il terzo, più moderno, grazie agli studi di Walther Nernst tra il 1906 e il 1912, motivo per cui è noto come il postulato di Nernst.

Infine, la chiamata "zero zero" apparirà nel 1930, proposta da Guggenheim e Fowler. Va detto che non in tutti i settori è riconosciuto come una vera legge.

1. Prima legge della termodinamica

Il titolo di questa legge è "Legge sulla conservazione dell'energia", in quanto stabilisce che, in qualsiasi sistema fisico isolato dall'ambiente circostante, la quantità totale di energia sarà sempre la stessa, anche se può essere trasformata in una forma di energia a diversi. O in altre parole: "L'energia non può essere creata o distrutta, solo trasformata".

Pertanto, fornendo una certa quantità di calore (Q) a un sistema fisico, la sua quantità totale di energia può essere calcolata trovando la differenza nell'aumento della sua energia interna (ΔU) più il lavoro (W) svolto dal sistema sul suo dintorni. O espresso in una formula: Q = ΔU + W, o anche: ΔU = Q - W, il che significa che la differenza tra l'energia del sistema e il lavoro svolto sarà sempre staccata dal sistema come energia termica (calore).

Per esemplificare questa legge, immaginiamo il motore di un aereo . È un sistema termodinamico al quale entra il combustibile che, reagendo con l'ossigeno presente nell'aria e la scintilla generata dalla combustione, rilascia una notevole quantità di calore e lavoro. Quest'ultimo è precisamente il movimento che spinge il piano in avanti. Quindi: se potessimo misurare la quantità di combustibile consumato, la quantità di lavoro (movimento) e la quantità di calore rilasciato, potremmo calcolare l'energia totale del sistema e concludere che l'energia nel motore è rimasta costante durante il volo: né è stata creata né l'energia fu distrutta, ma fu cambiata da energia chimica a energia calorica ed energia cinetica (movimento, cioè lavoro).

1. Seconda legge della termodinamica

Questo secondo principio, talvolta chiamato Legge dell'Entropia, può essere riassunto in quanto "la quantità di entropia nell'universo tende ad aumentare nel tempo" . Ciò significa che il grado di disordine dei sistemi aumenta quando raggiungono il punto di equilibrio, quindi, dato il tempo sufficiente, tutti i sistemi alla fine tenderanno a sbilanciarsi.

Questa legge spiega l'irreversibilità dei fenomeni fisici, cioè il fatto che una volta che una carta viene bruciata, non può essere riportata alla sua forma originale . Inoltre, introduce la funzione dello stato entropico (rappresentato come S), che nel caso dei sistemi fisici rappresenta il grado di disordine, cioè la sua inevitabile perdita. di energia. Pertanto, l'entropia è legata al grado di energia non utilizzabile da un sistema, che si perde nell'ambiente. Soprattutto se si tratta di un passaggio da uno stato di equilibrio A a uno stato di equilibrio B: quest'ultimo avrà un grado di entropia più elevato del primo.

La formulazione di questa legge stabilisce che il cambiamento nell'entropia (dS) sarà sempre uguale o maggiore del trasferimento di calore (Q), diviso per la temperatura (T) del sistema. Cioè, quel dS Q / T.

E per capirlo con un esempio, è sufficiente bruciare una certa quantità di materia e quindi raccogliere le ceneri risultanti. Pesandoli, verificheremo che è meno materia che nel suo stato iniziale. Perché? Perché parte della materia è diventata gas irrecuperabile che tende a disperdersi e disordinare, cioè che si perdono nel processo. Ecco perché questa reazione non può essere invertita.

1. Terza legge della termodinamica

Questo principio riguarda la temperatura e il raffreddamento, affermando che l'entropia di un sistema portato a zero assoluto sarà una costante definita . In altre parole:

• Al raggiungimento dello zero assoluto (0 K), i processi dei sistemi fisici si fermano.
• Al raggiungimento dello zero assoluto (0 K), l'entropia avrà un valore minimo costante.

È difficile raggiungere il cosiddetto zero assoluto giornaliero (-273, 15 ° C), come per dare un semplice esempio di questa legge. Ma possiamo equipararlo a ciò che accade nel nostro congelatore: il cibo che depositiamo lì si raffredderà così tanto e a temperature così basse da rallentare o addirittura arrestare i processi biochimici all'interno. Questo è il motivo per cui la sua decomposizione è ritardata e dura molto più a lungo per il suo consumo.

1. Legge cero di Termodinamica

Il "zero zero" è noto con quel nome perché, sebbene sia stato l'ultimo a essere eseguito, stabilisce precetti di base e fondamentali riguardanti gli altri tre . Ma in realtà il suo nome è Law of Thermal Balance. Questo principio impone che: Se due sistemi sono in equilibrio termico in modo indipendente con un terzo sistema, devono anche essere in equilibrio termico tra di loro. È qualcosa che può essere espresso logicamente come segue: se A = C e B = C, allora A = B.

In poche parole, questa legge ci consente di stabilire il principio della temperatura, basato sul confronto dell'energia termica di due diversi corpi: se sono in equilibrio termico tra Sì, quindi avranno necessariamente la stessa temperatura. E, quindi, se entrambi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora saranno anche l'uno con l'altro.

Esempi quotidiani di questa legge sono facili da trovare. Quando entriamo nell'acqua fredda o calda, noteremo la differenza di temperatura solo per un po ', poiché il nostro corpo entrerà quindi in equilibrio termico con l'acqua e non noteremo più la differenza. Succede anche quando entriamo in una stanza calda o fredda: noteremo inizialmente la temperatura, ma poi smetteremo di percepire la differenza quando entreremo in equilibrio termico con essa.