Termodinamica: cos’è, branca della fisica che si occupa di calore

La termodinamica è una branca della fisica che si occupa di calore , lavoro e temperatura e della loro relazione con l’ energia , l’ entropia e le proprietà fisiche della materia e della radiazione . Il comportamento di queste quantità è governato dalle quattro leggi della termodinamica che forniscono una descrizione quantitativa utilizzando quantità fisiche macroscopiche misurabili , ma può essere spiegato in termini di costituenti microscopici dalla meccanica statistica . La termodinamica si applica a un’ampia varietà di argomenti nella scienza eingegneria , in particolare chimica fisica , biochimica , ingegneria chimica e ingegneria meccanica , ma anche in altri campi complessi come la meteorologia .

Macchina termica Carnot 2.svg

Storicamente, la termodinamica si è sviluppata dal desiderio di aumentare l’ efficienza dei primi motori a vapore , in particolare attraverso il lavoro del fisico francese Sadi Carnot (1824) che credeva che l’efficienza del motore fosse la chiave che avrebbe potuto aiutare la Francia a vincere le guerre napoleoniche . [1] Il fisico scozzese-irlandese Lord Kelvin fu il primo a formulare una concisa definizione di termodinamica nel 1854 [2] che affermava: “La termodinamica è l’oggetto della relazione del calore con le forze che agiscono tra parti contigue dei corpi, e il relazione tra calore e agenzia elettrica”. Rudolf Clausius ha ribadito il principio di Carnot noto come il ciclo di Carnote diede così alla teoria del calore una base più vera e più solida. Il suo articolo più importante, “On the Moving Force of Heat”, [3] pubblicato nel 1850, enunciava per primo la seconda legge della termodinamica . Nel 1865 introdusse il concetto di entropia . Nel 1870 introdusse il teorema del viriale , che si applicava al calore . [4]

L’iniziale applicazione della termodinamica ai motori termici meccanici fu rapidamente estesa allo studio dei composti chimici e delle reazioni chimiche. La termodinamica chimica studia la natura del ruolo dell’entropia nel processo delle reazioni chimiche e ha fornito la maggior parte dell’espansione e della conoscenza del campo. Sono emerse altre formulazioni della termodinamica. La termodinamica statistica , o meccanica statistica, si occupa delle previsioni statistiche del moto collettivo delle particelle dal loro comportamento microscopico. Nel 1909, Constantin Carathéodory presentò un approccio puramente matematico in un’assiomaticaformulazione, una descrizione spesso indicata come termodinamica geometrica .

Introduzione

Una descrizione di qualsiasi sistema termodinamico impiega le quattro leggi della termodinamica che formano una base assiomatica. La prima legge specifica che l’energia può essere trasferita tra sistemi fisici come calore , come lavoro e con trasferimento di materia. [5] La seconda legge definisce l’esistenza di una grandezza chiamata entropia , che descrive la direzione, termodinamicamente, in cui un sistema può evolvere e quantifica lo stato di ordine di un sistema e che può essere utilizzata per quantificare il lavoro utile che può essere estratto dal sistema. [6]

In termodinamica, le interazioni tra grandi insiemi di oggetti vengono studiate e classificate. Al centro di questo sono i concetti del sistema termodinamico e dei suoi dintorni . Un sistema è composto da particelle, i cui moti medi ne definiscono le proprietà, e tali proprietà sono a loro volta correlate tra loro mediante equazioni di stato . Le proprietà possono essere combinate per esprimere energia interna e potenziali termodinamici , utili per determinare condizioni di equilibrio e processi spontanei .

Con questi strumenti, la termodinamica può essere utilizzata per descrivere come i sistemi rispondono ai cambiamenti nel loro ambiente. Questo può essere applicato a un’ampia varietà di argomenti della scienza e dell’ingegneria , come i motori , le transizioni di fase , le reazioni chimiche , i fenomeni di trasporto e persino i buchi neri . I risultati della termodinamica sono essenziali per altri campi della fisica e per la chimica , ingegneria chimica , ingegneria della corrosione , ingegneria aerospaziale , ingegneria meccanica , biologia cellulare ,ingegneria biomedica , scienza dei materiali ed economia , solo per citarne alcuni. [7] [8]

Questo articolo si concentra principalmente sulla termodinamica classica che studia principalmente i sistemi in equilibrio termodinamico . La termodinamica di non equilibrio è spesso trattata come un’estensione del trattamento classico, ma la meccanica statistica ha portato molti progressi in quel campo.

Storia

I termodinamici rappresentanti delle otto scuole fondatrici originarie della termodinamica. Le scuole con l’effetto più duraturo nel fondare le versioni moderne della termodinamica sono la scuola di Berlino, in particolare come stabilito nel libro di testo di Rudolf Clausius del 1865 The Mechanical Theory of Heat , la scuola di Vienna, con la meccanica statistica di Ludwig Boltzmann , e la Scuola Gibbsiana alla Yale University, 1876 dell’ingegnere americano Willard Gibbs On the Equilibrium of Heterogeneous Substances che lancia la termodinamica chimica . [9]

La storia della termodinamica come disciplina scientifica inizia generalmente con Otto von Guericke che, nel 1650, costruì e progettò la prima pompa per vuoto al mondo e dimostrò il vuoto usando i suoi emisferi di Magdeburgo . Guericke fu spinto a fare il vuoto per confutare la supposizione di lunga data di Aristotele secondo cui “la natura detesta il vuoto”. Poco dopo Guericke, il fisico e chimico anglo-irlandese Robert Boyle venne a conoscenza dei progetti di Guericke e, nel 1656, in coordinamento con lo scienziato inglese Robert Hooke , costruì una pompa ad aria. [10] Usando questa pompa, Boyle e Hooke hanno notato una correlazione trapressione , temperatura e volume . Col tempo fu formulata la legge di Boyle , che afferma che pressione e volume sono inversamente proporzionali . Quindi, nel 1679, sulla base di questi concetti, un socio di Boyle di nome Denis Papin costruì un digestore di vapore , che era un recipiente chiuso con un coperchio ben aderente che confinava il vapore fino a quando non veniva generata un’alta pressione.

I progetti successivi implementarono una valvola di rilascio del vapore che impediva alla macchina di esplodere. Osservando la valvola che si muove ritmicamente su e giù, Papin ha concepito l’idea di un motore a pistoni e cilindri. Tuttavia, non ha portato a termine il suo progetto. Tuttavia, nel 1697, sulla base dei progetti di Papin, l’ingegnere Thomas Savery costruì il primo motore, seguito da Thomas Newcomen nel 1712. Sebbene questi primi motori fossero rozzi e inefficienti, attirarono l’attenzione dei principali scienziati dell’epoca.

I concetti fondamentali di capacità termica e calore latente , necessari per lo sviluppo della termodinamica, furono sviluppati dal professor Joseph Black all’Università di Glasgow, dove James Watt lavorava come costruttore di strumenti. Black e Watt hanno eseguito esperimenti insieme, ma è stato Watt a concepire l’idea del condensatore esterno che ha portato a un notevole aumento dell’efficienza del motore a vapore . [11] Prendendo spunto da tutti i lavori precedenti, Sadi Carnot , il “padre della termodinamica”, pubblicò Riflessioni sulla forza motrice del fuoco(1824), un discorso sul calore, la potenza, l’energia e l’efficienza del motore. Il libro delineava le relazioni energetiche di base tra la macchina di Carnot , il ciclo di Carnot e la forza motrice . Ha segnato l’inizio della termodinamica come scienza moderna. [12]

Il primo libro di testo termodinamico fu scritto nel 1859 da William Rankine , originariamente formatosi come fisico e professore di ingegneria civile e meccanica presso l’ Università di Glasgow . [13] La prima e la seconda legge della termodinamica emersero simultaneamente nel 1850, principalmente dalle opere di William Rankine , Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin). Le basi della termodinamica statistica furono stabilite da fisici come James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann , Max Planck , Rudolf Clausius e J. Willard Gibbs .

Durante gli anni 1873-76 il fisico matematico americano Josiah Willard Gibbs pubblicò una serie di tre articoli, il più famoso dei quali è On the Equilibrium of Heterogeneous Substances , [14] in cui mostrava come i processi termodinamici , comprese le reazioni chimiche , potessero essere analizzati graficamente , studiando l’ energia , l’ entropia , il volume , la temperatura e la pressione del sistema termodinamico in tal modo, si può determinare se un processo avverrebbe spontaneamente. [15] Anche Pierre Duhemnel XIX secolo scrisse di termodinamica chimica. [16] All’inizio del XX secolo, chimici come Gilbert N. Lewis , Merle Randall , [17] e EA Guggenheim [18] [19] applicarono i metodi matematici di Gibbs all’analisi dei processi chimici.

Etimologia

L’etimologia della termodinamica ha una storia intricata. [20] Fu scritto per la prima volta in una forma con trattino come aggettivo ( termodinamico ) e dal 1854 al 1868 come sostantivo termodinamica per rappresentare la scienza dei motori termici generalizzati. [20]

Il biofisico americano Donald Haynie afferma che la termodinamica è stata coniata nel 1840 dalla radice greca θέρμη therme , che significa “calore”, e δύναμις dynamis, che significa “potenza”. [21]

Pierre Perrot afferma che il termine termodinamica fu coniato da James Joule nel 1858 per designare la scienza delle relazioni tra calore e potenza, [12] tuttavia Joule non usò mai quel termine, ma usò invece il termine perfetto motore termodinamico in riferimento al motore termodinamico di Thomson 1849 [22] fraseologia. [20]

Nel 1858, la termodinamica , come termine funzionale, fu usata nell’articolo di William Thomson “An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat”. [22]

Filiali di termodinamica

Lo studio dei sistemi termodinamici si è sviluppato in diversi rami correlati, ciascuno utilizzando un diverso modello fondamentale come base teorica o sperimentale, o applicando i principi a vari tipi di sistemi.

Termodinamica classica

La termodinamica classica è la descrizione degli stati dei sistemi termodinamici in prossimità dell’equilibrio, che utilizza proprietà macroscopiche e misurabili. Viene utilizzato per modellare gli scambi di energia, lavoro e calore in base alle leggi della termodinamica . Il qualificatore classico riflette il fatto che rappresenta il primo livello di comprensione dell’argomento così come si sviluppò nel XIX secolo e descrive i cambiamenti di un sistema in termini di parametri empirici macroscopici (su larga scala e misurabili). Un’interpretazione microscopica di questi concetti è stata successivamente fornita dallo sviluppo della meccanica statistica .

Meccanica statistica

La meccanica statistica , nota anche come termodinamica statistica, è emersa con lo sviluppo delle teorie atomiche e molecolari tra la fine del XIX secolo e l’inizio del XX secolo e ha integrato la termodinamica classica con un’interpretazione delle interazioni microscopiche tra singole particelle o stati quantomeccanici. Questo campo mette in relazione le proprietà microscopiche di singoli atomi e molecole con le proprietà macroscopiche e di massa dei materiali che possono essere osservate su scala umana, spiegando così la termodinamica classica come un risultato naturale della statistica, della meccanica classica e della teoria quantistica a livello microscopico.

Termodinamica chimica

La termodinamica chimica è lo studio dell’interrelazione dell’energia con le reazioni chimiche o con un cambiamento di stato fisico entro i confini delle leggi della termodinamica . L’obiettivo primario della termodinamica chimica è determinare la spontaneità di una data trasformazione. [23]

Termodinamica dell’equilibrio

Termodinamica dell’equilibrioè lo studio dei trasferimenti di materia ed energia in sistemi o corpi che, da agenti nel loro ambiente, possono essere guidati da uno stato di equilibrio termodinamico a un altro. Il termine ‘equilibrio termodinamico’ indica uno stato di equilibrio, in cui tutti i flussi macroscopici sono nulli; nel caso dei sistemi o dei corpi più semplici, le loro proprietà intensive sono omogenee e le loro pressioni sono perpendicolari ai loro confini. In uno stato di equilibrio non ci sono potenziali sbilanciati, o forze motrici, tra parti macroscopicamente distinte del sistema. Un obiettivo centrale nella termodinamica dell’equilibrio è: dato un sistema in uno stato di equilibrio iniziale ben definito, e dati i suoi dintorni, e date le sue pareti costitutive,

Termodinamica di non equilibrio

La termodinamica di non equilibrio è una branca della termodinamica che si occupa di sistemi che non sono in equilibrio termodinamico . La maggior parte dei sistemi che si trovano in natura non sono in equilibrio termodinamico perché non si trovano in stati stazionari e sono soggetti in modo continuo e discontinuo al flusso di materia ed energia da e verso altri sistemi. Lo studio termodinamico dei sistemi di non equilibrio richiede concetti più generali di quelli trattati dalla termodinamica dell’equilibrio. [24] Molti sistemi naturali rimangono ancora oggi al di fuori dell’ambito dei metodi termodinamici macroscopici attualmente conosciuti.

Leggi della termodinamica

Versione a colori annotata del motore termico Carnot originale del 1824 che mostra il corpo caldo (caldaia), il corpo di lavoro (sistema, vapore) e il corpo freddo (acqua), le lettere etichettate secondo i punti di arresto nel ciclo di Carnot .

La termodinamica si basa principalmente su un insieme di quattro leggi che sono universalmente valide quando applicate a sistemi che rientrano nei vincoli impliciti in ciascuna di esse. Nelle varie descrizioni teoriche della termodinamica queste leggi possono essere espresse in forme apparentemente diverse, ma le formulazioni più importanti sono le seguenti.

Legge zero

La legge zero della termodinamica afferma: se due sistemi sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo, sono anche in equilibrio termico tra loro.

Questa affermazione implica che l’equilibrio termico è una relazione di equivalenza sull’insieme dei sistemi termodinamici in esame. Si dice che i sistemi sono in equilibrio se i piccoli scambi casuali tra di loro (ad esempio il moto browniano ) non portano a un cambiamento netto di energia. Questa legge è tacitamente assunta in ogni misurazione della temperatura. Pertanto, se si cerca di decidere se due corpi sono alla stessa temperatura , non è necessario metterli in contatto e misurare eventuali cambiamenti delle loro proprietà osservabili nel tempo. [25] La legge fornisce una definizione empirica della temperatura e giustifica la costruzione di pratici termometri.

La legge zero non è stata inizialmente riconosciuta come una legge separata della termodinamica, poiché la sua base nell’equilibrio termodinamico era implicita nelle altre leggi. La prima, la seconda e la terza legge erano già state dichiarate esplicitamente e trovarono un’accettazione comune nella comunità dei fisici prima che si realizzasse l’importanza della legge zero per la definizione della temperatura. Poiché non era pratico rinumerare le altre leggi, fu chiamata legge zero .

Prima legge

La prima legge della termodinamica afferma: In un processo senza trasferimento di materia, il cambiamento di energia interna,  , di un sistema termodinamico è pari all’energia guadagnata sotto forma di calore,  , meno il lavoro termodinamico,  , fatto dal sistema nei suoi dintorni. [26] [n.1]

 .

dove denota la variazione dell’energia interna di un sistema chiuso (per il quale sono possibili calore o lavoro attraverso il confine del sistema, ma non è possibile il trasferimento di materia),  denota la quantità di energia fornita al sistema sotto forma di calore, e  denota la quantità di lavoro termodinamico svolto dal sistema nei suoi dintorni. Un’affermazione equivalente è che le macchine a moto perpetuo del primo tipo sono impossibili; opera fatto da un sistema nei suoi dintorni richiede che l’energia interna del sistema diminuire o essere consumato, cosicché la quantità di energia interna persa da quel lavoro deve essere fornita sotto forma di calore da una fonte di energia esterna o come lavoro da parte di una macchina esterna che agisce sul sistema (in modo che viene ripristinato) per far funzionare il sistema in modo continuo.

Per i processi che includono il trasferimento di materia, è necessaria un’ulteriore dichiarazione: Tenuto conto dei rispettivi stati di riferimento fiduciari dei sistemi, quando due sistemi, che possono essere di diversa composizione chimica, inizialmente separati solo da un muro impermeabile, e comunque isolati , vengono uniti in un nuovo sistema dall’operazione termodinamica di abbattimento del muro, quindi

 ,

dove 0 denota l’energia interna del sistema combinato, e 1 2 denotano le energie interne dei rispettivi sistemi separati.

Adattata per la termodinamica, questa legge è un’espressione del principio di conservazione dell’energia , che afferma che l’energia può essere trasformata (cambiata da una forma all’altra), ma non può essere creata o distrutta. [27]

L’energia interna è una proprietà principale dello stato termodinamico , mentre il calore e il lavoro sono modalità di trasferimento di energia mediante le quali un processo può cambiare questo stato. Un cambiamento di energia interna di un sistema può essere ottenuto da qualsiasi combinazione di calore aggiunto o rimosso e lavoro svolto su o dal sistema. In funzione dello stato , l’energia interna non dipende dal modo, o dal percorso attraverso passaggi intermedi, con cui il sistema è arrivato al suo stato.

Seconda legge

Una versione tradizionale della seconda legge della termodinamica afferma: Il calore non fluisce spontaneamente da un corpo più freddo a un corpo più caldo.

La seconda legge si riferisce a un sistema di materia e radiazione, inizialmente con disomogeneità di temperatura, pressione, potenziale chimico e altre proprietà intensive , che sono dovute a “vincoli” interni, o pareti rigide impermeabili, al suo interno, o a forze imposte dall’esterno . La legge osserva che, quando il sistema è isolato dal mondo esterno e da quelle forze, esiste una quantità termodinamica definita, la sua entropia, che aumenta con la rimozione dei vincoli, fino a raggiungere un valore massimo all’equilibrio termodinamico, quando le disomogeneità praticamente svaniscono. Per i sistemi che sono inizialmente lontani dall’equilibrio termodinamico, sebbene ne siano stati proposti diversi, non è noto alcun principio fisico generale che determini le velocità di avvicinamento all’equilibrio termodinamico, e la termodinamica non si occupa di tali velocità. Le numerose versioni della seconda legge esprimono tutte l’ irreversibilità di tale approccio all’equilibrio termodinamico.

Nella termodinamica macroscopica, la seconda legge è un’osservazione di base applicabile a qualsiasi processo termodinamico effettivo; in termodinamica statistica, si postula che la seconda legge sia una conseguenza del caos molecolare.

Terza legge

La terza legge della termodinamica afferma: quando la temperatura di un sistema si avvicina allo zero assoluto, tutti i processi cessano e l’entropia del sistema si avvicina a un valore minimo.

Questa legge della termodinamica è una legge statistica della natura riguardante l’entropia e l’impossibilità di raggiungere lo zero assoluto della temperatura. Questa legge fornisce un punto di riferimento assoluto per la determinazione dell’entropia. L’entropia determinata rispetto a questo punto è l’entropia assoluta. Definizioni alternative includono “l’entropia di tutti i sistemi e di tutti gli stati di un sistema è minima allo zero assoluto” o equivalentemente “è impossibile raggiungere lo zero assoluto della temperatura con un numero finito di processi”.

Lo zero assoluto, al quale tutte le attività si fermerebbero se fosse possibile raggiungerlo, è −273,15 °C (gradi Celsius), o −459,67 °F (gradi Fahrenheit), o 0 K (kelvin), o 0° R (gradi Rankine ).

Modelli di sistema

Schema di un generico sistema termodinamico

Un concetto importante in termodinamica è il sistema termodinamico , che è una regione precisamente definita dell’universo sotto studio. Tutto nell’universo tranne il sistema è chiamato l’ ambiente circostante . Un sistema è separato dal resto dell’universo da un confine che può essere fisico o teorico, ma serve a confinare il sistema in un volume finito. I segmenti del confine sono spesso descritti come muri ; hanno rispettive ‘permeabilità’ definite. Trasferimenti di energia come lavoro , o come calore , o come materia, tra il sistema e l’intorno, avvengono attraverso le pareti, secondo le rispettive permeabilità.

La materia o l’energia che attraversano il confine in modo da effettuare un cambiamento nell’energia interna del sistema devono essere contabilizzate nell’equazione del bilancio energetico. Il volume contenuto dalle pareti può essere la regione che circonda un singolo atomo che risuona di energia, come la definì Max Planck nel 1900; può essere un corpo di vapore o aria in una macchina a vapore , come Sadi Carnot definì nel 1824. Il sistema potrebbe anche essere un solo nuclide (cioè un sistema di quark ) come ipotizzato nella termodinamica quantistica . Quando si adotta un punto di vista più flessibile e si abbandona il requisito dell’equilibrio termodinamico, il sistema può essere il corpo di un ciclone tropicale , comeKerry Emanuel ha teorizzato nel 1986 nel campo della termodinamica atmosferica , ovvero l’ orizzonte degli eventi di un buco nero .

I confini sono di quattro tipi: fissi, mobili, reali e immaginari. Ad esempio, in un motore, un limite fisso significa che il pistone è bloccato nella sua posizione, all’interno della quale potrebbe verificarsi un processo a volume costante. Se il pistone può muoversi, quel limite è mobile mentre i limiti del cilindro e della testata sono fissi. Per i sistemi chiusi, i confini sono reali mentre per i sistemi aperti i confini sono spesso immaginari. Nel caso di un motore a reazione, si potrebbe ipotizzare un confine immaginario fisso all’aspirazione del motore, confini fissi lungo la superficie della cassa e un secondo confine immaginario fisso attraverso l’ugello di scarico.

In generale, la termodinamica distingue tre classi di sistemi, definiti in termini di ciò che può attraversare i loro confini:

Interazioni di sistemi termodinamici
Tipo di sistema Flusso di massa Opera Calore
Aprire Segno di spunta verde Segno di spunta verde Segno di spunta verde
Chiuso Rosso X Segno di spunta verde Segno di spunta verde
Isolamento termico Rosso X Segno di spunta verde Rosso X
Isolato meccanicamente Rosso X Rosso X Segno di spunta verde
Isolato Rosso X Rosso X Rosso X

Con il passare del tempo in un sistema isolato, le differenze interne di pressioni, densità e temperature tendono a uniformarsi. Un sistema in cui tutti i processi di equalizzazione sono giunti a compimento si dice essere in uno stato di equilibrio termodinamico .

Una volta in equilibrio termodinamico, le proprietà di un sistema sono, per definizione, immutabili nel tempo. I sistemi in equilibrio sono molto più semplici e facili da capire rispetto ai sistemi che non sono in equilibrio. Spesso, quando si analizza un processo termodinamico dinamico, si fa l’ipotesi semplificativa che ogni stato intermedio nel processo sia all’equilibrio, producendo processi termodinamici che si sviluppano così lentamente da consentire a ogni fase intermedia di essere uno stato di equilibrio e si dice che siano processi reversibili .

Stati e processi

Quando un sistema è in equilibrio in un dato insieme di condizioni, si dice che si trova in uno stato termodinamico definito . Lo stato del sistema può essere descritto da un numero di quantità di stato che non dipendono dal processo attraverso il quale il sistema è arrivato al suo stato. Si chiamano variabili intensive o variabili estensive a seconda di come cambiano al variare della dimensione del sistema. Le proprietà del sistema possono essere descritte da un’equazione di stato che specifica la relazione tra queste variabili. Lo stato può essere pensato come la descrizione quantitativa istantanea di un sistema con un determinato numero di variabili mantenute costanti.

Un processo termodinamico può essere definito come l’evoluzione energetica di un sistema termodinamico procedendo da uno stato iniziale ad uno stato finale. Può essere descritto dalle quantità di processo . Tipicamente, ogni processo termodinamico si distingue dagli altri processi di carattere energetico a seconda di quali parametri, come temperatura, pressione, o volume, ecc., vengono tenuti fissi; Inoltre, è utile raggruppare questi processi in coppie, in cui ogni variabile mantenuta costante è un membro di una coppia coniugata .

Diversi processi termodinamici comunemente studiati sono:

  • Processo adiabatico : avviene senza perdita o guadagno di energia per calore
  • Processo isentalpico : avviene a entalpia costante
  • Processo isentropico : un processo adiabatico reversibile, avviene a un’entropia costante
  • Processo isobarico : avviene a pressione costante
  • Processo isocoro : avviene a volume costante (chiamato anche isometrico/isovolumetrico)
  • Processo isotermico : avviene a temperatura costante
  • Processo di stato stazionario : si verifica senza un cambiamento nell’energia interna

Strumentazione

Esistono due tipi di strumenti termodinamici , il contatore e il serbatoio . Un misuratore termodinamico è qualsiasi dispositivo che misura qualsiasi parametro di un sistema termodinamico . In alcuni casi, il parametro termodinamico è effettivamente definito in termini di uno strumento di misura idealizzato. Ad esempio, la legge zero afferma che se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo, sono anche in equilibrio termico tra loro. Questo principio, come notato da James Maxwell nel 1872, afferma che è possibile misurare la temperatura. Un termometro idealizzato è un campione di un gas ideale a pressione costante. Dalla legge dei gas ideali pV=nRT , il volume di tale campione può essere utilizzato come indicatore di temperatura; in questo modo definisce la temperatura. Sebbene la pressione sia definita meccanicamente, un dispositivo di misurazione della pressione, chiamato barometro , può anche essere costruito da un campione di un gas ideale mantenuto a una temperatura costante. Un calorimetro è un dispositivo utilizzato per misurare e definire l’energia interna di un sistema.

Un serbatoio termodinamico è un sistema talmente grande che i suoi parametri di stato non vengono alterati in modo apprezzabile quando viene messo in contatto con il sistema di interesse. Quando il serbatoio viene messo in contatto con il sistema, il sistema viene portato in equilibrio con il serbatoio. Ad esempio, un serbatoio a pressione è un sistema a una particolare pressione, che impone quella pressione al sistema a cui è collegato meccanicamente. L’atmosfera terrestre viene spesso utilizzata come serbatoio di pressione. L’oceano può fungere da serbatoio di temperatura quando viene utilizzato per raffreddare le centrali elettriche.

Variabili coniugate

Il concetto centrale della termodinamica è quello di energia , la capacità di compiere lavoro . Per la prima legge si conserva l’energia totale di un sistema e del suo ambiente. L’energia può essere trasferita in un sistema mediante riscaldamento, compressione o aggiunta di materia, ed estratta da un sistema mediante raffreddamento, espansione o estrazione di materia. In meccanica , ad esempio, il trasferimento di energia è uguale al prodotto della forza applicata a un corpo e lo spostamento risultante.

Le variabili coniugate sono coppie di concetti termodinamici, con il primo simile a una “forza” applicata a un sistema termodinamico , il secondo simile allo “spostamento” risultante e il prodotto dei due pari alla quantità di energia trasferita. Le variabili coniugate comuni sono:

  • Pressione – volume (i parametri meccanici );
  • Temperatura – entropia (parametri termici);
  • Potenziale chimico – numero di particelle (parametri del materiale).

Potenziali

I potenziali termodinamici sono diverse misure quantitative dell’energia immagazzinata in un sistema. I potenziali sono usati per misurare i cambiamenti di energia nei sistemi mentre evolvono da uno stato iniziale a uno stato finale. Il potenziale utilizzato dipende dai vincoli del sistema, come temperatura o pressione costante. Ad esempio, le energie di Helmholtz e Gibbs sono le energie disponibili in un sistema per svolgere un lavoro utile quando rispettivamente la temperatura e il volume o la pressione e la temperatura sono fisse.

I cinque potenziali più conosciuti sono:

Nome Simbolo Formula Variabili naturali
Energia interna      
Energia libera di Helmholtz      
Entalpia      
Energia libera di Gibbs      
Potenziale di Landau, o
grande potenziale
 ,    

dove è la temperatura l’ entropia la pressione il volume il potenziale chimico il numero di particelle nel sistema, e è il conteggio dei tipi di particelle nel sistema.

I potenziali termodinamici possono essere derivati ​​dall’equazione del bilancio energetico applicata a un sistema termodinamico. Altri potenziali termodinamici possono anche essere ottenuti attraverso la trasformazione di Legendre .

Termodinamica assiomatica

La termodinamica assiomatica è una disciplina matematica che mira a descrivere la termodinamica in termini di assiomi rigorosi , ad esempio trovando un modo matematicamente rigoroso per esprimere le leggi familiari della termodinamica .

Il primo tentativo di una teoria assiomatica della termodinamica fu il lavoro di Constantin Carathéodory del 1909 Investigations on the Foundations of Thermodynamics , che utilizzava i sistemi Pfaffian e il concetto di accessibilità adiabatica , una nozione introdotta dallo stesso Carathéodory. [28] [29] In questa formulazione, concetti termodinamici come calore , entropia e temperatura derivano da quantità misurabili più direttamente. [30] Le teorie successive differivano nel senso che formulavano ipotesi sui processi termodinamicicon stati iniziali e finali arbitrari, invece di considerare solo gli stati vicini.


https://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamics

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