termodinàmica

termodinamica

termodinàmica s. f. [comp. di termo- e dinamica]. – Parte della fisica, inizialmente nata per studiare, in base a esigenze di carattere tecnico legate all’invenzione della macchina motrice a vapore, le modalità con cui si può ottenere lavoro meccanico utilizzabile sfruttando la tendenza spontanea del calore a passare da corpi a temperatura più alta a corpi a temperatura più bassa, e sviluppatasi poi sino a comprendere lo studio del comportamento macroscopico di una vasta classe di sistemi fisici (gas, liquidi, solidi, materiali magnetici, radiazioni elettromagnetiche, e anche strutture proteiche, celle elettrolitiche, soluzioni, ecc.) in seguito a scambî di energia e materia, determinati per es. da differenze di temperatura e di densità (quali avvengono nelle transizioni di fase, nei fenomeni di conduzione termica e elettrica, nelle reazioni chimiche, nei processi di diffusione, ecc.). I principî su cui si fonda tale disciplina sono: il principio zero della t., per il quale due sistemi, ciascuno dei quali sia in equilibrio termico con un terzo sistema, sono in equilibrio termico tra loro (in base ad esso si definisce la grandezza temperatura); il primo principio della t., che costituisce l’espressione più generale del principio di conservazione dell’energia, in base al quale la variazione dell’energia del sistema (indicata dal punto di vista macroscopico come la sua energia interna) è pari alla somma delle quantità di calore e di lavoro scambiate con l’esterno (avendo dato un segno positivo alle quantità di lavoro e calore ricevute dal sistema e segno negativo a quelle cedute): ne deriva come conseguenza che se il sistema è isolato (ossia non può scambiare calore o lavoro) la sua energia interna resta costante e che in una trasformazione ciclica (in cui il sistema compie una serie di trasformazioni e torna allo stato iniziale e quindi allo stesso valore iniziale della sua energia) la quantità di calore ceduta o assorbita è identica alla quantità di lavoro rispettivam. ricevuta o ceduta (per cui il primo principio è anche espresso come principio di equivalenza tra calore e lavoro, che risultano grandezze misurabili con la stessa unità di misura, quella dell’energia, o le cui unità di misura tradizionali, ossia rispettivam. la caloria e il joule, sono tra loro in un rapporto costante, detto equivalente meccanico del calore o, per il rapporto inverso, equivalente termico del lavoro); il secondo principio della t., in base al quale esiste una direzionalità intrinseca nei processi naturali che avvengono spontaneamente (essi sono cioè irreversibili nel senso che non possono avvenire spontaneamente nel verso opposto); più precisamente, il secondo principio può essere enunciato in due modi che si dimostrano assolutamente equivalenti: il primo afferma che è impossibile realizzare un processo fisico il cui unico risultato sia la conversione di una certa quantità di calore, assorbita da una sola sorgente, in una quantità equivalente di lavoro meccanico (per cui il rendimento di una macchina termica è sempre inferiore all’unità); il secondo afferma che non si può realizzare un processo fisico che abbia come unico risultato il trasferimento di una certa quantità di calore da un corpo a temperatura più bassa a un corpo a temperatura più alta (ne deriva l’irreversibilità dei processi di dissipazione dell’energia meccanica, elettrica, ecc. e di passaggio di calore dal caldo al freddo, per cui il secondo principio viene anche considerato come principio della degradazione, o della dissipazione dell’energia): tali enunciati, in seguito all’introduzione della grandezza entropia, risultano equivalenti al principio dell’aumento di entropia, per cui in un sistema isolato l’entropia può solo aumentare fino a raggiungere un valore massimo quando il sistema raggiunge l’equilibrio; il terzo principio della t., in base al quale nessun sistema può essere portato allo zero assoluto (l’entropia infatti tende a zero con la temperatura). Correntemente, si usa sostituire il termine «principio» con il termine «legge», per cui si parla anche di legge zero della t., prima legge della t., seconda legge della t., terza legge della termodinamica. Si suole anche distinguere la t. classica, che si riferisce a sistemi in equilibrio che effettuano trasformazioni reversibili (ed è per questo stata chiamata già nel secolo scorso termostatica), dalla t. dei processi irreversibili, che studia anche i processi (come per es. la conduzione del calore e dell’elettricità, la diffusione, ecc.) nel corso dei quali il sistema considerato si trova in condizioni di non equilibrio.