Primo principio della termodinamica

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

La termodinamica studia (da un punto di vista macroscopico) la trasformazione di calore in lavoro (e viceversa). Tale studio riserva grande importanza nelle macchine termiche quali i motori a combustione interna e le macchine frigorifere.

La parte dell’universo che stiamo considerando si chiama sistema (termodinamico), la restante parte, che interagisce con il sistema, la chiamiamo ambiente. Tale sistema è aperto se scambia materia con l’ambiente, altrimenti si dice che il sistema è chiuso. Un sistema si dice isolato se non cambia al variare delle condizioni ambientali. Se si vuole impedire il flusso di calore si utilizza un sistema con pareti adiabatiche tramite materiali che costituiscono ottimi isolanti termici. Infine, una sorgente termica è caratterizzata da una capacità termica C_sorg molto maggiore (>>) della capacità termica C_sist del sistema e di conseguenza la temperatura della sorgente non cambia in maniera apprezzabile a seguito di un flusso di calore Q:

C_sorg ΔT_sorg + C_sist ΔT_sist = 0 => ΔT_sorg = -ΔT_sist C_sist/ C_sorg
dove C_sorg >> C_sist

Prima di arrivare al primo principio della termodinamica, partiamo dal principio zero della termodinamica: due corpi che si trovano a temperatura diversa e a contatto termico tra loro scambiano calore Q (fluisce dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa) fino a quando non raggiungeranno l’equilibrio termico (stessa temperatura). Se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B e quest’ultimo è in equilibrio termico con un corpo C allora anche i corpi A e C saranno in equilibrio termico tra loro.

Ricordiamo che esistono diversi tipi di equilibrio:

• meccanico: la somma delle forze e la somma dei momenti è zero;
• termico: la temperatura T è uniforme nel sistema ed è uguale a quella ambiente;
• termodinamico: le variabili di stato sono costanti nel tempo.
• chimico.

Un’altra premessa importante per comprendere la termodinamica è la convenzione dei segni. Indicando con Q il calore (energia trasferita per contatto termico) e con L il lavoro (energia trasferita mediante una forza):

• Q > 0 se il calore entra nel sistema;
• L > 0 se il sistema compie lavoro;
• Q < 0 se il calore esce dal sistema;
• L < 0 se il lavoro è fatto sul sistema.

Infine, da un punto di vista macroscopico, un sistema è caratterizzato da un suo stato (detto stato del sistema) cioè dai tre valori delle seguenti grandezze fisiche: pressione, volume e temperatura.
Quando un sistema passa da uno stato (p₁, V₁, T₁) ad un altro stato (p₂, V₂, T₂), si dice che è avvenuta una trasformazione termodinamica (trasformazione di stato da uno stato iniziale ad uno finale).
Il calore Q ed il lavoro L scambiato durante una trasformazione termodinamica dipendono dal tipo di trasformazione effettuata. Però, la quantità Q – L è indipendente dal tipo di trasformazione ma dipende soltanto dallo stato iniziale e da quello finale. Possiamo perciò definire una grandezza U che dipende soltanto dallo stato del sistema (P, V, T) e perciò è detta funzione di stato. Tale grandezza fisica prende il nome di energia interna. Per energia interna di un sistema si intende la somma di tutte le energie cinetiche e potenziali interne al sistema stesso.

Possiamo ora enunciare il primo principio della termodinamica: se un sistema scambia energia Q o lavoro L con l’ambiente allora la sua energia interna varia tramite la seguente relazione:

ΔU_int = Q – L

In questa formula bisogna fare attenzione ad utilizzare la convenzione dei segni visti sopra. Perciò un sistema aumenta la propria energia interna se il sistema riceve calore (Q > 0) e/o se si compie del lavoro sul sistema (L < 0). Un sistema diminuisce la sua energia interna se il sistema fornisce calore (Q < 0) e/o se il sistema compie lavoro (L > 0).
OSSERVAZIONE: il primo principio della termodinamica non fornisce indicazioni sul valore iniziale o finale dell’energia interna ma soltanto sulla sua variazione.

Poiché l’energia interna di un sistema è una funzione di stato, se parto da uno stato A ed arrivo ad uno stato B coincidente con lo stato A (trasformazione ciclica) allora:

ΔU_int = 0

perciò

Q = L

cioè il calore scambiato è uguale al lavoro eseguito.
Quindi, se un sistema compie del lavoro (L > 0) tale energia non può essere stata fornita internamente ma deve provenire sotto forma di calore dall’esterno (Q > 0). Ciò sancisce l’impossibilità di un sistema di produrre lavoro mediante una trasformazione ciclica (ΔU_int = 0) utilizzando solo l’energia interna; il primo principio della termodinamica sancisce, quindi, l’impossibilità di realizzare il moto perpetuo di prima specie. Cioè vi è l’impossibilità di un dispositivo di produrre lavoro meccanico L utilizzando la sola sua energia interna tramite una trasformazione ciclica.

Prof. Vito Egidio Mosca
Imparare la Fisica