Termodinamica: differenze tra le versioni
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{{Principi della termodinamica}}
La '''termodinamica''' è
La termodinamica classica si basa sul concetto di ''sistema macroscopico'', ovvero una porzione di [[massa (fisica)|massa]] fisicamente o concettualmente separata dall'ambiente esterno, che spesso per comodità si assume non perturbato dallo scambio di energia con il sistema
Tuttavia esiste una branca della termodinamica, denominata [[termodinamica del non equilibrio]] che studia i processi termodinamici caratterizzati dal mancato raggiungimento di condizioni di equilibrio stabile.
[[File:Triple expansion engine animation.gif|thumb|
==
[[File:Carnot2.jpg|
Fu [[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]] nel [[1824]] il primo a dimostrare che si può ottenere [[lavoro (fisica)|lavoro]] dallo scambio di [[calore]] tra due sorgenti a temperature differenti. Attraverso il [[teorema di Carnot (termodinamica)|teorema di Carnot]] e la [[
Nel [[1848]] [[Lord Kelvin]],<ref name=kelvin1854>{{Cita libro|titolo=Mathematical and Physical Papers|autore=Sir William Thomson, LL.D. D.C.L., F.R.S.|città=London, Cambridge|anno=1882|volume=1|pagine=232|editore=C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press|url=http://books.google.com/books?id=nWMSAAAAIAAJ&pg=PA100}}</ref> utilizzando la macchina di Carnot, introdusse il concetto di [[Temperatura assoluta|temperatura termodinamica effettiva]] e a lui si deve un enunciato del [[secondo principio della termodinamica]].
Nel [[1850]] [[James Prescott
Nel [[1876]] [[Willard Gibbs]] pubblicò il trattato ''"On the Equilibrium of Heterogeneous Substances"'' (''[[Sull'equilibrio delle sostanze eterogenee]]'') in cui mostrò come una [[trasformazione termodinamica]] potesse essere rappresentata graficamente e come studiando in questo modo l'energia, l'entropia, il volume, la temperatura e la pressione si potesse prevedere l'eventuale spontaneità del processo considerato.
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Il caso della termodinamica è emblematico nella storia e nell'[[epistemologia]] della scienza: si tratta infatti di uno di quei casi in cui la pratica ha precorso la teoria stessa: prima è stata ideata la [[macchina a vapore]], poi è stato sistematizzato il suo funzionamento teorico attraverso i suoi principi di base.
==
L'universo termodinamico è costituito dall'ambiente e dal sistema termodinamico (l'oggetto di studio).
==== Ambiente ====
{{Vedi anche|Ambiente (termodinamica)}}
L'ambiente esterno di un sistema è identificabile con tutti i corpi materiali o con tutte le sorgenti di energia ad immediato contatto con esso con il quale è possibile scambiare energia e materia.
==== Sistemi termodinamici ====
{{Vedi anche|Sistema termodinamico}}
[[File:System_boundary_it.svg|thumb|Schema di un sistema termodinamico]]
Un "sistema termodinamico" è una qualunque porzione dell'universo a cui ci si sta interessando come oggetto d'indagine (la rimanente parte dell'universo si definisce invece '''ambiente'''). Questa porzione di spazio è separata dal resto dell'universo, cioè dall'ambiente esterno, mediante una superficie di controllo (superficie reale o immaginaria, rigida o deformabile), ed è sede di trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l'ambiente esterno. Questi stessi scambi causano perciò la trasformazione del sistema, poiché esso passa da una condizione di partenza ad una differente. In pratica un sistema si trasforma quando passa da uno stato d'equilibrio iniziale ad uno finale. L'ambiente rimane invece approssimativamente "inalterato", poiché il sistema rispetto ad esso è talmente piccolo che uno scambio di energia o materia risulterebbe ininfluente per l'ambiente rispetto alla totalità degli stessi al suo interno, altrimenti non si parlerebbe di ambiente ma di un altro sistema (al quale l'ambiente per definizione non corrisponde).
Gli scambi di massa o energia possono avvenire sotto forma di calore o lavoro. Questi due concetti non sono delle proprietà intrinseche del sistema, ma sussistono nel momento in cui esso interagisce con l'ambiente, cioè scambia energia con l'esterno. Quindi un sistema non possiede calore o lavoro, bensì energia; ogni variazione di energia è poi esprimibile in termini di ''calore'', se il passaggio di energia è dovuto ad una differenza di temperatura tra ambiente e sistema, e lavoro (per qualunque variazione energetica che non sia dovuta alla differenza di temperatura, come ad esempio una forza meccanica che provochi uno spostamento, un trasferimento di energia elettrica o elastica).
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** [[Sistema adiabatico|Sistemi adiabatici]], se non consentono lo scambio di calore;
** Sistemi diatermici, se invece lo consentono;
* Sulla base dello scambio di lavoro in:
** Bordi rigidi, se non consentono lo scambio di lavoro;
** Bordi
* Sulla base dello scambio di massa in:
** Bordi permeabili, se consentono il passaggio di ogni specie chimica
** Bordi semipermeabili, se consentono il passaggio di alcune specie chimiche
** Bordi impermeabili, se invece non consentono il passaggio di alcuna [[specie chimica]].
Un sistema aperto ha bordi permeabili o semipermeabili, diatermici e deformabili. Un sistema isolato ha bordi impermeabili, rigidi e adiabatici.
=== Coordinate termodinamiche ===
Le proprietà termodinamiche usate per descrivere un sistema sono dette ''coordinate'' (o ''grandezze'', ''variabili'') ''termodinamiche''. Dato un certo numero di coordinate, esse possono essere: * indipendenti, se è possibile modificare il valore di ciascuna di esse senza determinare una variazione del valore delle altre;
* dipendenti, se variando il valore di una di esse anche le altre coordinate vengono modificate.
È tipica della termodinamica la distinzione fra [[proprietà intensive ed estensive]]:
* estensive, se dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. massa, volume, [[capacità termica]]);
* intensive, se non dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. pressione e temperatura);
* specifiche: rapportando una proprietà estensiva con le dimensioni del sistema (tipicamente la massa, ma anche il numero di moli o il volume) si ottiene una proprietà intensiva che è detta la corrispondente ''specifica'' della proprietà estensiva corrispondente: possono essere considerate tali il volume specifico, la densità ("massa specifica") e il calore specifico.
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[[Temperatura]], [[volume]], [[pressione]] e numero di [[mole|moli]] sono tipici esempi di coordinate termodinamiche.
=== Trasformazioni termodinamiche ===
{{vedi anche|Trasformazione termodinamica}}
Quando un sistema passa da uno stato di equilibrio ad un altro, si dice che avviene una [[trasformazione termodinamica]]: si distingue tra ''trasformazioni reversibili'', ovvero quelle trasformazioni che consentono di essere ripercorse in senso inverso (si ritorna precisamente al punto di partenza, ripercorrendo all'indietro gli stessi passi dell'andata), e ''trasformazioni irreversibili'', ovvero quelle trasformazioni che, se ripercorse all'indietro, non faranno ritornare al punto iniziale, ma ad uno diverso. Perché una trasformazione sia reversibile è necessario che essa avvenga abbastanza lentamente da permettere al sistema di termalizzare (il sistema deve passare attraverso infiniti stati di [[equilibrio termodinamico]]).
Le trasformazioni termodinamiche possono essere anche dei seguenti tipi:
* ''[[Trasformazione isobara|Isobare]]'', se la pressione si mantiene costante;
* ''[[Trasformazione isocora|Isocore]]'', se il volume si mantiene costante (e il lavoro scambiato tra sistema ed esterno è dunque nullo);
* ''[[Trasformazione isoterma|Isoterme]]'', se la temperatura si mantiene costante;
* ''[[Trasformazione adiabatica|Adiabatiche]]'', se il calore totale scambiato è nullo;
* ''[[Trasformazione isoentropica|Isoentropiche]]'', o ''adiabatiche reversibili'', se la variazione di entropia è nulla;
== I principi della termodinamica ==
I principi della termodinamica vennero enunciati nel corso del [[XIX secolo]] e regolano le trasformazioni termodinamiche, il loro procedere, i loro limiti. Sono dei veri e propri assiomi
Si possono distinguere tre principi di base, più un principio "zero" che definisce la temperatura, e che è implicito negli altri tre.
=== Principio zero ===
{{Vedi anche|Principio zero della termodinamica}}
Quando due sistemi interagenti sono in equilibrio termico
Tale principio spiega il fatto che due corpi a temperature diverse, tra
=== Primo principio ===
{{Vedi anche|Primo principio della termodinamica}}
Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo
Il primo principio è dunque un principio di [[conservazione dell'energia]]. In ogni [[macchina termica]] una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto ''[[moto perpetuo]] di prima specie''.
Il primo principio viene tradizionalmente enunciato come
''La variazione dell'energia interna di un sistema termodinamico chiuso è uguale alla differenza tra il calore fornito al sistema e il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente''.<ref>Clausius, R. (1850). Ueber de bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für de Wärmelehre selbst ableiten lassen, ''Annalen der Physik und Chemie'', '''155''' (3): 368–394.</ref><ref>Rankine, W.J.M. (1850). On the mechanical action of heat, especially in gases and vapours. ''Trans. Roy. Soc. Edinburgh'', '''20''': 147–190.[https://www.archive.org/details/miscellaneoussci00rank]</ref><ref>Helmholtz, H. von. (1897/1903). ''Vorlesungen über Theorie der Wärme'', edited by F. Richarz, Press of Johann Ambrosius Barth, Leipzig, Section 46, pp. 176–182, in German.</ref><ref>Planck, M. (1897/1903), p. 43.</ref><ref>Guggenheim, E.A. (1949/1967), p. 10.</ref><ref>Sommerfeld, A. (1952/1956), Section 4 A, pp. 13–16.</ref><ref>{{Cita libro | autore=Ilya Prigogine, I. & Defay, R., translated by D.H. Everett| titolo=Chemical Thermodynamics | anno=1954 | editore=Longmans, Green & Co., London, p. 21.}}</ref><ref>Lewis, G.N., Randall, M. (1961). ''Thermodynamics'', second edition revised by K.S. Pitzer and L. Brewer, McGraw-Hill, New York, p. 35.</ref><ref name="Bailyn, M. 1994 page 79">Bailyn, M. (1994). ''A Survey of Thermodynamics'', American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 79.</ref><ref>Kondepudi, D. (2008). ''Introduction to Modern Thermodynamics'', Wiley, Chichester, ISBN 978-0-470-01598-8, p. 59.</ref>
La corrispondente formulazione matematica si esprime come:
:''ΔU = Q - L''
dove U è l'[[energia interna]] del sistema, Q il calore fornito al sistema e L il lavoro compiuto dal sistema.
Per energia interna si intende la somma delle energie cinetiche e di interazione delle diverse particelle di un sistema.
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{{Vedi anche|Secondo principio della termodinamica}}
Esistono diversi enunciati del [[secondo principio della termodinamica|secondo principio]], tutti equivalenti, e ciascuna delle formulazioni ne mette in risalto un particolare aspetto. Esso afferma che «
L'[[entropia (termodinamica)|entropia]] totale di un sistema isolato rimane invariata quando si svolge una trasformazione reversibile ed aumenta quando si svolge una trasformazione irreversibile.
=== Cosiddetto Terzo principio ===
{{Vedi anche|Terzo principio della termodinamica}}
È strettamente legato al secondo, e in alcuni casi è considerato come una conseguenza di quest'ultimo. Può essere enunciato dicendo che «
== Branche derivate ==
=== Termodinamica statistica ===
{{vedi anche|Meccanica statistica}}
La ''termodinamica statistica'' è l'applicazione della [[teoria della probabilità]], che include strumenti matematici per gestire insiemi formati da numerosi elementi, al comportamento termodinamico di sistemi composti da un grande numero di particelle. La [[meccanica statistica]] fornisce un modello per collegare le proprietà dei singoli atomi e molecole alle proprietà macroscopiche del sistema da essi composto. Da tale approccio deriva anche la termodinamica statistica.
=== Termodinamica chimica ===
{{vedi anche|Termodinamica chimica}}
La ''termochimica'' o ''termodinamica chimica'' è quella branca della termodinamica che studia gli effetti termici determinati da [[reazione chimica|reazioni chimiche]], chiamati [[Entalpia standard di reazione|calore di reazione]]. La termochimica concerne pertanto le conversioni di [[energia chimica]] in [[energia termica]] e viceversa, che avvengono durante una reazione e ne studia le variabili ad esse connesse, come l'[[entalpia di legame]], l'[[entropia standard di formazione]], ecc.
==Note==
<references/>
== Bibliografia ==
* [[Oreste Murani]], ''[https://www.archive.org/details/lezioniditermod00muragoog Lezioni di termodinamica: dettate nel Politecnico di Milano]'', ed. Ugo Hoepli, (1921);
* {{Cita libro|autore=[[Enrico Fermi]]|titolo=Termodinamica|traduttore=Antonio Scotti|città=Torino|editore=Paolo Boringhieri|anno=1958|annooriginale=1937|SBN=MOD0213502}}
* {{cita libro |autore=[[Richard Feynman]]|titolo=[[La fisica di Feynman]]|città=[[Bologna]]|editore=[[Zanichelli]]|anno=2001|ISBN=978-88-08-16782-8}}:
**Vol I, cap. 44: Le leggi della termodinamica
* {{cita libro| J. M. | Smith | Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics | 2000 | McGraw-Hill ||| coautori= Hendrick C. Van Ness; Michael. B. Abbot |||ed= 6 ||lingua= inglese|isbn=0-07-240296-2}}
* {{cita libro|nome=Kenneth George |cognome= Denbigh|wkautore=Kenneth Denbigh |titolo= I principi dell'equilibrio chimico |anno=1971 |editore=Casa Editrice Ambrosiana |città=Milano|isbn=88-408-0099-9 }}
* {{cita libro|nome=David|cognome=Ruelle|wkautore=David Ruelle|titolo=Thermodynamic Formalism|editore=[[Cambridge University Press]]|città=[[Cambridge]]|anno=1984|ISBN=0-521-30225-0|lingua=en}} (prima pubbl. Addison-Wesley 1978)
* {{cita libro|nome=Vincenzo|cognome=Brandani|titolo=Termodinamica dell'ingegneria chimica|città=[[L'Aquila]]|editore=Libreria Universitaria Benedetti|anno=2007|ISBN=978-88-87182-19-4}}
* {{cita libro|nome=Renato|cognome=Rota|titolo=Fondamenti di Termodinamica dell'Ingegneria Chimica|editore=Pitagora Editrice|città=[[Bologna]]|anno=2004|ISBN=88-371-1472-9}}
* {{cita libro|nome=Peter|cognome=Atkins|wkautore=Peter Atkins|titolo=Le Regole del Gioco|editore=Zanichelli|città=Bologna|anno=2010|ISBN=978-88-08-06145-4}}
===Bibliografia internazionale===
*{{cita libro|nome=Clement John|cognome=Adkins|titolo=Equilibrium Thermodynamics, second edition|url=https://archive.org/details/equilibriumtherm0000adki|città=[[New York]]|editore=[[McGraw-Hill Education|McGraw-Hill]]|anno=1968/1975|ISBN 0-07-084057-1|lingua=en}}
*{{cita libro|nome=Herbert Bernard|cognome|Callen|wkautore=Herbert Callen|titolo=Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 2nd edition|anno=1892|url=https://archive.org/details/paper-doi-10_1002_path_1700010102|città=New York|editore=[[John Wiley & Sons|Wiley]]|ISBN=978-81-26-50812-9|lingua=en}}
*{{cita libro|nome1=Ralph Howard|cognome1=Fowler|nome2=Edward Armand|cognome2=Guggenheim|titolo=Statistical Thermodynamics|editore=[[Cambridge University Press]]|città=[[Cambridge]]|anno=1960|lingua=en}}
*{{cita libro|nome=Edward Armand|cognome=Guggenheim|titolo=Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists|editore=North-Holland|città= [[Amsterdam]]|anno=1988|ISBN=978-04-44-86951-7|lingua=en}}
*{{cita libro|James Riddick|cognome=Partington|titolo=An Advanced Treatise on Physical Chemistry, vol. 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases|editore=Longmans, Green and Co.|città=[[Harlow]]|anno=1949|lingua=en}}
*{{en}} [[Max Planck]] (1897/1903). [http://www.onread.com/reader/145819 ''Treatise on Thermodynamics''], translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., Harlow.
*{{cita libro|nome=Max|cognome=Planck|titolo=Treatise on Thermodynamics, 3rd English edition translated by A. Ogg from the seventh German edition|città=[[Mineola (New York)|Mineola]]|editore=Dover Publications Inc.|anno=1991|ISBN=978-04-86-66371-5|lingua=en}}
*{{cita libro|nome=Arnold|cognome=Sommerfeld|wkautore=Arnold Sommerfeld|titolo=Thermodynamics and Statistical Mechanics|anno=1956|url=https://archive.org/details/thermodynamicsst0005unse|editore=[[Academic Press]]|città=[[New York]]|lingua=en}}
== Voci correlate ==
{{
* [[Calore]]
* [[Ciclo termodinamico]]
* [[Diagramma di Mollier]]
* [[Energia]]
Riga 133 ⟶ 178:
* [[Energia libera di Helmholtz]]
* [[Entalpia]]
* [[Entropia (termodinamica)
* [[Formula Ipsometrica]]
* [[Lavoro (fisica)
* [[Moto perpetuo]]
{{
* [[Notazioni in termodinamica chimica]]
* [[Pozzo di calore]]
* [[Primo principio della termodinamica]]
Riga 146 ⟶ 192:
* [[Termochimica]]
* [[Termodinamica del non equilibrio]]
* [[Termodinamica dei buchi neri]]
* [[Termologia]]
* [[Terzo principio della termodinamica]]
* [[Emergia#Empotenza|Quarto principio della termodinamica]] (problema aperto)
* [[Termodinamica quantistica]]
{{Colonne fine}}
:;Personaggi
* [[James Watt]]
* [[Lord Kelvin]]
* [[Rudolf Clausius]]
* [[Émile Clapeyron]]
* [[Robert Boyle]]
* [[Joseph Louis Gay-Lussac]]
* [[James Prescott Joule]]
* [[Nicolas Léonard Sadi Carnot]]
* [[Willard Gibbs]]
* [[Hermann von Helmholtz]]
* [[Ludwig Boltzmann]]
== Altri progetti ==
{{interprogetto|
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web | 1 = http://studenti.dicamp.units.it/Termodinamica/Forms/AllItems.aspx | 2 = ''Dispense di termodinamica'' | accesso = 20 marzo 2009 | dataarchivio = 25 giugno 2008 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20080625011656/http://studenti.dicamp.units.it/Termodinamica/Forms/AllItems.aspx | urlmorto = sì }}
* {{cita web|http://www.roma1.infn.it/people/luci/labo_termo/Luci_laboratorio_termodinamica.pdf|''Laboratorio di termodinamica''}}
* Antonino Drago, [https://web.archive.org/web/20120404140129/http://ulisse.sissa.it/chiediAUlisse/domanda/2007/Ucau070219d001/ ''Il terzo principio della termodinamica''] su sportello [[Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati|SISSA]]
{{Settori della Fisica}}
{{Controllo di autorità}}
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[[Categoria:Termodinamica| ]]
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