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Capitolo 17
Primo principio della termodinamica
17.1
+ Introduzione
Le origini della termodinamica e dei suoi princìpi risalgono alle invenzioni della rivoluzione industriale, in special modo a quella della macchina a vapore. Queste invenzioni finirono per sostituire il lavoro eseguito dagli uomini e dagli animali con il lavoro meccanico eseguito dalle macchine termiche. Per ottenere lavoro meccanico da una macchina, per esempio da una macchina a vapore, occorreva bruciare del combustibile e occorreva il conseguente trasferimento di calore tra la fiamma e la sostanza che compiva il lavoro nella macchina (di solito acqua). Fu soltanto intorno alla metà del diciannovesimo secolo che si affermò l’idea che calore e lavoro meccanico sono trasferimenti di energia e che l’energia è una grandezza che si conserva. Tra coloro che contribuirono alla graduale elaborazione di queste idee, un posto di primo piano spetta a Benjamin Thompson (1753-1814) e James Joule (1818-1889). Fu Thompson a rendersi conto dell’inadeguatezza della concezione secondo la quale il calore era un fluido, chiamato “calorico”, che poteva fluire da un corpo all’altro. Basandosi sulle proprie osservazioni delle elevate temperature che si producevano nell’alesatura dei cannoni, egli propose che vi fosse una correlazione tra il calore e il lavoro compiuto dall’attrito. Joule, dal quale prende il nome l’unità SI dell’energia, determinò, in una serie di esperimenti, la quantità di lavoro meccanico che equivale a una data quantità di calore nell’elevare la temperatura dell’acqua. Questi furono passi cruciali in direzione della formulazione del primo principio della termodinamica.
17.2
+ Equilibrio
termodinamico, trasformazioni ed equazioni di stato
È utile dare qui una definizione di equilibrio per i sistemi termodinamici. Si dice che un sistema è in equilibrio termodinamico quando è in equilibrio sia meccanico, sia termico, sia chimico. Si ha equilibrio meccanico quando le forze che il sistema esercita verso l’esterno si equilibrano con quelle che l’ambiente esterno esercita sul sistema. L’equilibrio termico l’abbiamo già definito nel capitolo precedente e, in questo caso, si avrà che tutte le parti del sistema hanno la stessa temperatura, che coinciderà con quella dell’ambiente circostante se è in contatto termico con il sistema. L’equilibrio chimico si avrà quando non vi sono reazioni che alterino la composizione relativa del sistema. Un sistema, se è lasciato isolato per un periodo di tempo sufficientemente lungo, raggiunge uno stato di equilibrio termodinamico. Quando un sistema termodinamico, cioè un sistema che ha come gradi di libertà le variabili che descrivono lo stato interno del sistema, cambia il proprio stato, si dice che ha compiuto una trasformazione. Una trasformazione viene, quindi, descritta dal modo in cui variano le coordinate termodinamiche. Le trasformazioni di un sistema termodinamico possono essere di vario tipo e alcune importanti categorie sono: trasformazioni fra stati di equilibrio, cioè gli stati di partenza e di arrivo sono di equilibrio termodinamico; trasformazioni cicliche, nelle quali lo stato iniziale coincide
L’equilibrio termodinamico
Vari tipi di trasformazioni