L'ambito di studio della termodinamica
Questa branca della Fisica studia le trasformazioni e gli scambi di energia, nata ufficialmente con questa denominazione nel 1854 grazie a William Thomson Kelvin. Questo scienziato utilizzò il termine termodinamica per riferirsi alla nuova teoria elaborata a partire dagli studi di Carnot. La elaborò insieme a Rudolf Clausius, altro pioniere di questo ambito.
Per comprendere questo ramo della Fisica occorre conoscere i quattro principi che la regolano. Spesso si dice che sono tre perché uno è noto come “principio zero” e spesso non lo si menziona neanche perché dato per scontato.
Il calore e il principio zero
Comprendere la base della termodinamica richiede di richiamare il concetto di equilibrio termico fra due corpi. Quando abbiamo due corpi che si trovano a temperature diverse (T1 e T2) e li mettiamo a contatto il calore tende a passare da quello con temperatura più alta all’altro. Il calore infatti è una forma di energia, e la quantità che si trasferisce tra i due corpi dipende dalla loro massa e dal materiale che li compone oltre che dalla differenza T1 – T2.
Se però abbiamo due corpi che si trovano esattamente alla stessa temperatura non ci sarà un passaggio di calore. O meglio, le loro molecole potranno effettuare dei microscambi di energia ma la risultante di questi sarà sempre nulla. Il principio zero dunque afferma che due sistemi per trovarsi in equilibrio termico devono avere la stessa temperatura.
Questo principio della termodinamica ha anche una formulazione alternativa. Ovvero se due corpi A e B sono in equilibrio termico e il corpo B lo è a sua volta con un terzo corpo C, anche A e C saranno in equilibrio termico fra di loro. Dal principio zero possiamo anche ricavare la conclusione per cui due sistemi possono scambiare calore liberamente solo se hanno temperatura diversa.
Il primo principio della termodinamica
Questo enunciato si sente nominare spesso in contesti anche estranei alla Fisica. Nella sua forma più tecnica afferma quanto segue. La variazione dell’energia interna di un sistema è uguale alla differenza fra il calore e il lavoro scambiati fra il sistema e l’ambiente esterno. Molto spesso però lo si presenta in una forma più concisa che è “ l’energia non si crea né si distrugge ma passa da una forma all’altra“.
La formula del primo principio della termodinamica è ΔU = Q – W. ΔU rappresenta la variazione di energia interna, Q indica il calore scambiato e W il lavoro compiuto dal sistema sull’ambiente o viceversa.
Sia Q che W possono essere positivi o negativi. In particolare se il sistema cede calore Q è negativo (Q < 0), mentre se lo assorbe il suo valore sarà positivo (Q > 0). Per quanto riguarda il lavoro, W risulta positivo se è il sistema a compierlo sull’ambiente (W > 0) e negativo se si verifica l’opposto (W < 0)
Il secondo principio e le diverse versioni
La prima afferma che “risulta impossibile realizzare una macchina termica che operando in modo ciclico trasformi in lavoro la totalità del calore assorbito“. La conseguenza evidente di questo principio è che non si può costruire una macchina termica che dia un rendimento del 100%. Per calcolare il rendimento si utilizza la formula η = W/QA e il valore di η è sempre inferiore a 1 (che corrisponde al 100% del rendimento).
Secondo la formulazione di Clausius invece il secondo principio della termodinamica suona leggermente diverso. Afferma che “non può esserci una trasformazione che porti al trasferimento di calore da un corpo caldo a uno più freddo come unico risultato“. Mettendoli a confronto si nota che risultano equivalenti, ma il primo si applica a una macchina ciclica mentre il secondo è più generico.
L’entropia in termodinamica
Ogni sistema considerato da questa branca della Fisica ha una proprietà intrinseca, l’entropia. Questa esprime il grado di disordine di un sistema e tende a zero per i processi che si avvicinano alle condizioni di reversibilità. Tuttavia i processi descritti dal secondo principio sono irreversibili, perché il calore viaggia in una sola direzione.
Nelle trasformazioni della termodinamica quindi l’entropia si può calcolare trovando il rapporto tra il calore Q (ceduto o assorbito da una certa sorgente al sistema) e la temperatura T della sorgente considerata. Dato che il simbolo dell’entropia è S la formula generica è S = Q/T.
Considerano la Siniziale (il sistema assorbe calore) e la Sfinale (in cui si verifica l’opposto), considerando quanto detto sul rendimento la seconda sarà sempre maggiore della prima. Quindi Sfinale – Siniziale ≥ 0 e ΔS ≥ 0. L’entropia perciò in una trasformazione irreversibile tende sempre ad aumentare in termodinamica.
Il terzo principio o teorema di Nernst
L’ultimo pilastro della termodinamica si deve al chimico Walther Nernst, che lo formulò intorno al 1906. Per questo spesso ci si fa riferimento come teorema di Nernst, e afferma che in una trasformazione reversibile in cui la temperatura assoluta è prossima allo zero anche l’entropia tende a zero. C’è anche una forma più semplice del principio è affermare che allo zero assoluto ( 0 K) l’entropia di formazione di un solido cristallino puro è pari a zero.
Analizzandolo emerge però che se la temperatura assoluta di un sistema tende a zero lo stesso varrà per il calore che scambia. Diventa infatti sempre più difficile sottrarre energia termica a ridosso dello zero assoluto, da cui l’implicazione che arrivare a 0 gradi Kelvin risulti impossibile con un processo reversibile.
Da questa implicazione deriva la formulazione equivalente del terzo principio, che afferma che non è possibile raggiungere lo zero assoluto con una serie finita di trasformazioni. Occorrerebbe quindi utilizzare un numero infinito di trasformazioni, possibile a livello teorico ma non nel pratico. Possiamo anche determinare che se risulta impossibile arrivare a 0 K lo è senza dubbio andare al di sotto di questa temperatura.
