- Quali sono le leggi della termodinamica?
- Origine delle leggi della termodinamica
- Prima Legge della Termodinamica
- Secondo principio della termodinamica
- Terzo principio della termodinamica
- Legge zero della termodinamica
Spieghiamo quali sono le leggi della termodinamica, qual è l'origine di questi principi e le caratteristiche principali di ciascuno di essi.
Quali sono le leggi della termodinamica?
Le leggi della termodinamica (o i principi della termodinamica) descrivono il comportamento di tre grandezze fisiche fondamentali, le temperatura, il Energia e ilentropia, che caratterizzano i sistemi termodinamici. Il termine "termodinamica" deriva dal greco termos, Cosa significa "calore", Sì dinamo, Cosa significa "forza”.
Matematicamente, questi principi sono descritti da a impostato di equazioni che spiegano il comportamento dei sistemi termodinamici, definiti come qualsiasi oggetto di studio (da a molecola o un essere umano, Fino a atmosfera o acqua bollente in un pentolino).
Ci sono quattro leggi della termodinamica e sono cruciali per comprendere le leggi fisiche di universo e l'impossibilità di certi fenomeni come il movimento perpetuo.
Origine delle leggi della termodinamica
I quattro principi di termodinamica Hanno origini diverse e alcune sono state formulate dalle precedenti. Il primo ad essere stabilito, infatti, fu il secondo, opera del fisico e ingegnere francese Nicolás Léonard Sadi Carnot nel 1824.
Tuttavia, nel 1860 questo principio fu nuovamente formulato da Rudolf Clausius e William Thompson, aggiungendo poi quella che oggi chiamiamo la Prima Legge della Termodinamica. Successivamente apparve il terzo, noto anche come "postulato di Nerst" perché sorto grazie agli studi di Walther Nernst tra il 1906 e il 1912.
Infine, nel 1930, apparve la cosiddetta "legge zero", proposta da Guggenheim e Fowler. Va detto che non in tutti i settori è riconosciuta come una vera legge.
Prima Legge della Termodinamica
La prima legge è chiamata "Legge di Conservazione dell'Energia" perché impone che in ogni sistema isolato dal suo ambiente, la quantità totale di energia sarà sempre la stessa, anche se può essere trasformata da una forma di energia a diverse. O in altre parole: l'energia non può essere creata o distrutta, solo trasformata.
Pertanto, fornendo una data quantità di calore (Q) a un sistema fisico, la sua quantità totale di energia può essere calcolata come il calore fornito meno illavoro (W) eseguita dal sistema nei suoi dintorni. Espresso in una formula: ΔU = Q - W.
Come esempio di questa legge, immaginiamo un motore di aeroplano. È un sistema termodinamico costituito da un combustibile che reagisce chimicamente durante il processo di combustione, rilascia calore e funziona (che fa muovere l'aereo). Quindi: se potessimo misurare la quantità di lavoro svolto e il calore rilasciato, potremmo calcolare l'energia totale del sistema e concludere che l'energia nel motore è rimasta costante durante il volo: l'energia non è stata né creata né distrutta, ma è stata fatta cambiare di energia chimica a energia calorica sìEnergia cinetica (movimento, cioè lavoro).
Secondo principio della termodinamica
La seconda legge, detta anche «Legge dell'entropia», si può riassumere nel fatto che la quantità di entropia nell'universo tende ad aumentare nel tempo metereologico. Ciò significa che il grado di disordine dei sistemi aumenta fino a raggiungere un punto di equilibrio, che è lo stato di maggior disordine del sistema.
Questa legge introduce un concetto fondamentale in fisica: il concetto di entropia (rappresentato dalla lettera S), che nel caso dei sistemi fisici rappresenta il grado di disordine. Si scopre che in ogni processo fisico in cui c'è una trasformazione di energia, una certa quantità di energia non è utilizzabile, cioè non può funzionare. Se non puoi lavorare, nella maggior parte dei casi quell'energia è calore. Quel calore che rilascia il sistema, quello che fa è aumentare il disordine del sistema, la sua entropia. L'entropia è una misura del disordine di un sistema.
La formulazione di questa legge stabilisce che la variazione di entropia (dS) sarà sempre uguale o maggiore dellatrasferimento termico (dQ), diviso per la temperatura (T) del sistema. Cioè, che: dS ≥ dQ / T.
Per capirlo con un esempio basta bruciare una certa quantità di questione e poi raccogliere le ceneri risultanti. Quando le soppeseremo, verificheremo che è meno materia di quella che era nel suo stato iniziale: parte della materia è stata convertita in calore sotto forma di gas che non possono lavorare sul sistema e che contribuiscono al suo disordine.
Terzo principio della termodinamica
La terza legge afferma che l'entropia di un sistema portato allo zero assoluto sarà una costante definita. In altre parole:
- Al raggiungimento dello zero assoluto (zero in unità Kelvin), i processi dei sistemi fisici si fermano.
- Al raggiungimento dello zero assoluto (zero in unità Kelvin), l'entropia ha un valore minimo costante.
È difficile raggiungere quotidianamente il cosiddetto zero assoluto (-273,15 °C), ma possiamo pensare a questa legge analizzando cosa succede in un congelatore: cibo che depositiamo lì diventeranno così freddi che i processi biochimici al suo interno rallenteranno o addirittura si fermeranno. Ecco perché la sua decomposizione è ritardata e il suo consumo per molto più tempo.
Legge zero della termodinamica
La "legge zero" è conosciuta con questo nome sebbene fosse l'ultima a correre. Conosciuto anche come Legge dell'equilibrio termico, questo principio impone che: “Se due sistemi sono in equilibrio termale indipendentemente con un terzo sistema, devono essere anch'essi in equilibrio termico tra loro”. Può essere logicamente espresso come segue: se A = C e B = C, allora A = B.
Questa legge ci permette di confrontare l'energia termica di tre diversi corpi A, B e C. Se il corpo A è in equilibrio termico con il corpo C (hanno la stessa temperatura) e anche B ha la stessa temperatura di C, allora A e B hanno la stessa temperatura.
Un altro modo per enunciare questo principio è sostenere che quando due corpi con temperature diverse entrano in contatto, scambiano calore fino a quando le loro temperature non si equivalgono.
Gli esempi quotidiani di questa legge sono facili da trovare. Quando entriamo in acqua fredda o calda, noteremo la differenza di temperatura solo durante i primi minuti poiché il nostro corpo entrerà poi in equilibrio termico con ilAcqua e non noteremo più la differenza. Lo stesso accade quando entriamo in una stanza calda o fredda: dapprima noteremo la temperatura, ma poi smetteremo di percepire la differenza perché entreremo in equilibrio termico con essa.