termodinamica

È il termine usato per comprendere la serie di studi ed esperimenti condotti secondo le leggi della fisica, che analizzano in dettaglio l' equilibrio degli elementi terrestri, oltre a come il calore e l'energia influenzano la vita sul pianeta e il materiali che lo compongono. Da questo, sono state create diverse macchine che aiutano nei processi industriali. La parola deriva dalle parole greche θερμο e δύναμις, che significa "thermos" e "calore.

termodinamica

Cos'è la termodinamica

La definizione di termodinamica indica che è la scienza che si occupa specificamente delle leggi che regolano la trasformazione dell'energia termica in energia meccanica e viceversa. Si basa su tre principi fondamentali e ha ovvie implicazioni filosofiche e, inoltre, consentono la formulazione di concetti tra i più profondi in fisica.

All'interno di questo, vengono utilizzati diversi metodi di indagine e apprezzamento degli oggetti richiesti, come magnitudini estese e non estese, lo studio approfondito dell'energia interna, composizione o volume molare e il secondo, da parte sua, studia la pressione, temperatura e potenziale chimico; Anche così, altre magnitudini vengono utilizzate per un'analisi veritiera.

Ciò che studia la termodinamica

La termodinamica studia gli scambi di energia termica tra i sistemi e i fenomeni meccanici e chimici coinvolti in tali scambi . In un modo particolare, i fenomeni in cui vi è una trasformazione dell'energia meccanica in energia termica o viceversa, fenomeni che sono chiamati trasformazioni termodinamiche, sono responsabili dello studio.

È considerata una scienza fenomenologica, poiché si concentra su studi macroscopici di oggetti e altri. Allo stesso modo, si avvale di altre scienze per spiegare i fenomeni che cerca di identificare nei suoi oggetti di analisi, come la meccanica statistica. I sistemi termodinamici usano alcune equazioni che aiutano a mescolare le loro proprietà.

Tra i suoi principi di base si trova quello dell'energia, che può essere trasferito da un corpo all'altro, mediante il calore. È applicato a molte aree di studio come l' ingegneria, oltre a collaborare allo sviluppo di motori, allo studio di cambiamenti di fase, reazioni chimiche e buchi neri .

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Che cos'è un sistema termodinamico

termodinamica

Il corpo, o insieme di corpi, su cui avviene una trasformazione termodinamica è chiamato sistema termodinamico . Lo studio di un sistema è fatto a partire dallo stato, cioè dalle sue condizioni fisiche in un momento specifico. A livello microscopico, questo stato può essere descritto da coordinate o variabili termiche, come massa, pressione, temperatura, ecc., Che sono perfettamente misurabili, ma a livello microscopico, le frazioni (molecole, atomi) che costituiscono il sistema e identificare l'insieme di posizioni e velocità di queste particelle dalle quali dipendono le proprietà microscopiche.

Inoltre, un sistema termodinamico è una regione dello spazio soggetta allo studio in corso e limitata da una superficie che può essere reale o immaginaria. La regione esterna al sistema che interagisce con essa viene chiamata ambiente di sistema. Il sistema termodinamico interagisce con il suo ambiente attraverso lo scambio di materia ed energia.

La superficie che separa il sistema dal resto del suo contesto è chiamata parete e in base alle sue caratteristiche sono classificate in tre tipi:

Sistema termodinamico aperto

È lo scambio tra energia e materia.

Sistema termodinamico chiuso

Non scambia materiale, ma scambia energia.

Sistema termodinamico isolato

Non scambia materia o energia.

Principi della termodinamica

La termodinamica ha alcune basi che determinano le quantità fisiche di base che rappresentano i sistemi termodinamici. Questi principi spiegano come il loro comportamento si trova in determinate condizioni e prevengono l'insorgere di determinati fenomeni.

Si dice che un corpo sia in equilibrio termico quando il calore che percepisce ed emette è lo stesso . In questo caso, la temperatura di tutti i suoi punti è e rimane costante. Un caso paradossale di equilibrio termico è un ferro esposto al sole.

La temperatura di questo corpo, una volta raggiunto l'equilibrio, rimane più alta di quella dell'ambiente perché il contributo continuo dell'energia solare viene compensato con quello che il corpo irradia e perde con la sua conduzione e convezione.

Il principio zero della termodinamica o la legge zero della termodinamica è presente quando due corpi in contatto sono alla stessa temperatura una volta raggiunto l'equilibrio termico. Si comprende facilmente che il corpo più freddo si riscalda e il più caldo si raffredda, e quindi il flusso netto di calore tra loro diminuisce al diminuire della loro differenza di temperatura.

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Primo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica è il principio della conservazione dell'energia (correttamente e secondo la teoria della relatività della materia-energia) secondo cui non viene né creato né distrutto, sebbene possa essere trasformato in un modo a un altro.

La generalizzazione del principio energetico ci consente di affermare che la variazione della forza interna di un sistema è la somma del lavoro svolto e trasferito, un'affermazione logica avendo stabilito che il lavoro e il calore sono le modalità di trasferimento dell'energia e che non lo è non crea né si distrugge da solo.

L'energia interna di un sistema è intesa come la somma delle diverse energie e di tutte le particelle che lo compongono, come ad esempio: energia cinetica di traduzione, rotazione e vibrazione, energia di legame, coesione, ecc.

Il primo principio è stato talvolta affermato come l'impossibilità dell'esistenza del motivo perpetuo della prima specie, ovvero la possibilità di produrre lavoro senza produrre consumo di energia in nessuno dei modi in cui si manifesta.

Secondo principio della termodinamica

Questo secondo principio affronta l' irreversibilità degli eventi fisici, soprattutto quando avviene il trasferimento di calore.

Un gran numero di fatti sperimentali mostra che le trasformazioni che avvengono naturalmente hanno un certo significato, senza mai essere osservate, che avviene spontaneamente nella direzione opposta.

Il secondo principio della termodinamica costituisce una generalizzazione di ciò che l'esperienza insegna riguardo al senso in cui avvengono le trasformazioni spontanee. Supporta varie formulazioni che sono effettivamente equivalenti. Lord Kelvin, fisico e matematico britannico, lo mise in questi termini nel 1851 "È impossibile effettuare la trasformazione il cui unico risultato è la conversione del calore estratto da una singola fonte di temperatura uniforme in lavoro"

Questa è una delle leggi più importanti della termodinamica in fisica; Anche se possono essere formulati in molti modi, portano tutti alla spiegazione del concetto di irreversibilità e di entropia. Il fisico e matematico tedesco Rudolf Clausius ha stabilito una disuguaglianza che è correlata tra le temperature di un numero arbitrario di fonti termiche e le quantità di calore assorbito da esse erogate, quando una sostanza attraversa un processo ciclico, reversibile o irreversibile, scambiando calore con le fonti.

In una centrale idroelettrica, l'energia elettrica viene prodotta dall'energia potenziale dell'acqua danneggiata. Detta potenza viene trasformata in energia cinetica quando l'acqua scende attraverso i tubi e una piccola parte di questa energia cinetica viene trasformata nella forza cinetica rotazionale di una turbina, il cui asse è solidale con l'asse dell'induttore di un alternatore che genera la forza il potere.

Il primo principio della termodinamica ci consente di garantire che nei cambiamenti da una forma di energia all'altra non vi sia stato né un aumento né una diminuzione della potenza iniziale, il secondo principio ci dice che parte di quell'energia sarà stata alimentata sotto forma di calore.

Terzo principio della termodinamica

La terza legge fu sviluppata dal chimico Walther Nernst negli anni 1906-1912, motivo per cui viene spesso definita teorema di Nernst o postulato di Nernst. Questo terzo principio della termodinamica afferma che l'entropia di un sistema zero assoluto è una costante definita . Questo perché esiste un sistema a temperatura zero nel suo stato fondamentale, quindi la sua entropia è determinata dalla degenerazione dello stato fondamentale. Nel 1912, Nernst stabilì la legge in tal modo: "È impossibile con qualsiasi procedura raggiungere l'isoterma T = 0 in un numero finito di passi"

Processi termodinamici

termodinamica

Nel concetto di termodinamica, i processi sono i cambiamenti che avvengono in un sistema che lo porta da uno stato iniziale di equilibrio a uno stato di equilibrio finale. Questi sono classificati in base alla variabile che è stata mantenuta costante durante tutto il processo.

Un processo può avvenire dallo scioglimento del ghiaccio, all'accensione di una miscela aria-benzina per eseguire il movimento dei pistoni di un motore a combustione interna.

Esistono tre condizioni che possono variare in un sistema termodinamico: temperatura, volume e pressione. I processi termodinamici sono studiati nei gas, poiché i liquidi sono incomprimibili e non vi sono variazioni di volume. Inoltre, a causa delle alte temperature, i liquidi diventano gas. Nei solidi, gli studi termodinamici non vengono effettuati perché sono incomprimibili e non vi è alcun lavoro meccanico su di essi.

Tipi di processi termodinamici

Questi processi sono classificati in base al loro approccio, per mantenere costante una delle variabili, che si tratti della temperatura, della pressione o del volume. Inoltre, vengono applicati altri criteri, come lo scambio di energia e la modifica di tutte le sue variabili.

Processo isotermico

I processi isotermici sono tutti quelli in cui la temperatura del sistema rimane costante . Questo viene fatto lavorando, in modo che le altre variabili (P e V) cambino nel tempo.

Processo isobaro

Il processo isobarico è quello in cui la pressione rimane costante . La variazione di temperatura e volume definirà il suo sviluppo. Il volume può cambiare liberamente quando si cambia la temperatura.

Processi isocorici

Nei processi isocorici il volume rimane costante . Può anche essere considerato come quelli in cui il sistema non genera alcun lavoro (W = 0).

Fondamentalmente, sono fenomeni fisici o chimici che vengono studiati all'interno di qualsiasi contenitore, con agitazione o meno.

Processo adiabatico

Il processo adiabatico è quel processo termodinamico in cui non vi è scambio di calore dal sistema verso l'esterno o nella direzione opposta. Esempi di questo tipo di processo sono quelli che possono essere eseguiti in un thermos per bevande.

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Esempi di processi termodinamici

  • Un esempio del processo isocorico: il volume del gas viene mantenuto in modo costante. Quando si verifica qualsiasi tipo di cambiamento di temperatura, sarà accompagnato da un cambiamento di pressione. Come nel caso del vapore in una pentola a pressione, aumenta la sua pressione mentre si riscalda.
  • Come esempio del processo isotermico: la temperatura del gas rimane costante. All'aumentare del volume, la pressione diminuisce . Ad esempio, un palloncino in una macchina per vuoto aumenta il suo volume quando viene creato il vuoto.
  • In relazione al processo adiabatico: ad esempio, la compressione del pistone in una pompa di gonfiaggio di una ruota di bicicletta o una rapida decompressione dello stantuffo di una siringa, precedentemente compressa con il foro di uscita ostruito.

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