Termodinamica

Gli argomenti di termodinamica possono essere utilizzati per un percorso di studio scientifico. Questo corso si interessa principalmente di termodinamica, dove i concetti di questa scienza devono essere utilizzati per la risoluzione di problemi. Potrebbe essere utile arricchire il corso di esercizi.

La termodinamica è utilizzata dagli ingegneri per calcolare l'efficienza dei motori sotto il profilo del consumo, oltreché per trovare nuovi modi per rendere efficienti i sistemi basati su leggi fisiche, sia che si tratti di un'automobile, un apparecchio, un locale ecc..

L'ingegnere che si occupa di calcoli termodinamici deve utilizzare una mole enorme di dati, spesso di provenienza empirica (p.e. tabelle del vapore), dal momento che, quando si lavora con materiali concreti, le equazioni di stato possono non essere espresse in termini di semplici relazioni algebriche.

La termodinamica studia anche teorie e tecniche per rendere efficace l'uso di tali dati empirici. Naturalmente anche in questo campo l'avvento dei computer ha avuto un ruolo chiave nell'alleggerire gran parte del lavoro e l'informatica ha fatto un passo avanti enorme anche nel creare applicazioni ritagliate per rispondere a specifiche situazioni di progetto.

Cominciamo

La termodinamica tratta le interazioni energetiche nei sistemi fisici. La termodinamica classica è articolata in quattro leggi, rispettivamente zero-esima, prima, seconda e terza. Le leggi della termodinamica sono empiriche, i.e. sono dedotte dall'esperienza e supportate da un enorme bagaglio di prove offerte dalla realtà che ci circonda.

Struttura del libro

• Il primo capitolo è una introduzione alla termodinamica, e presenta motivazione e scopo dell'argomento.
• Il secondo capitolo definisce i termini di base del libro, focalizzando soprattutto il concetto di processo e sistema. Svilupperemo il concetto di temperatura e di legge zero-esima.
• Il capitolo successivo, Primo principio, sviluppa idee necessarie per affermare la prima legge della termodinamica. Riconosce due tipi di energia: il tipo calore e il tipo lavoro.
• Secondo principio tratta dei motori, del calore e del concetto di entropia.
• Applicazioni degli strumenti sviluppati nei capitoli precedenti, incluso l'uso della termodinamica nelle situazioni di ogni giorno.
• Appendice dà una lista delle tabelle più comunemente usate.
• Terzo principio collega il concetto di entropia al concetto di ordine/disordine statistico e alla teoria cinetica della materia.

Questo corso istruisce lo studente sulle proprietà del trasferimento del calore, dove si studiano i meccanismi di trasmissione di energia sotto forma di calore. I concetti sopra illustrati potranno essere utilizzati per nuovi approfondimenti.

• Applicazioni degli strumenti sviluppati nei capitoli precedenti per definire l'energia libera, libera di essere trasformata in energie di tipo lavoro. Introduce il concetto di attività termodinamica.

Altri due principi ampliano il campo di intervento alle trasformazioni e agli stati lontano dall'equilibrio

• Quarto principio Collega il concetto di energia libera ai percorsi delle trasformazioni non ideali;

introduce i concetti di attrattore termodinamico e di struttura dissipativa

• Quinto principio Collega il concetto di energia libera agli ecosistemi: sistemi metastabili in cui il flusso di energia libera genera e mantiene l'ordine delle strutture dissipative

Un po' di storia

L'antica Grecia comincia a farci conoscere alcuni timidi approcci di sfruttamento del calore: sostanzialmente si cerca di ideare e realizzare piccoli esperimenti come il termoscopio di Filolao (480-400 a.C.) o l'eolipilo di Erone (II secolo a.C.). Occorre citare il termoscopio sia come lontano antenato del moderno termometro sia perché in seguito fu realizzato da Galileo. Era costituito da un recipiente ed un palloncino di vetro, collegati tramite un tubicino. Questa cannula aveva un'estremità aperta ed immersa nell'acqua : riscaldando i palloncino l'acqua scendeva attraverso il tubo, nel caso contrario saliva. L'eolipilo di Erone era un lontano antenato della macchina a vapore. I primi esperimenti sul calore risalgono al secolo sedicesimo in particolare con Galileo ed i suoi studi sulla dilatazione dei fluidi: questi primi tentativi di misurare il calore dei corpi lasciavano presumere che vi fosse una energia che poteva essere sfruttata.C'erano due teorie che si erano formate intorno alla natura del calore: la teoria del calorico e la teoria del flogisto. La teoria del calorico interpretava il calore in modo meccanico : conquisto' ampio credito anche per l'immediatezza con cui venne compresa.Secondo questa teoria il calore era pensato come un fluido contenuto nei corpi e che poteva essere travasato da un corpo all'altro per contatto.Era sufficiente accostare due corpi perché il calorico passasse dal corpo più caldo a quello più freddo.La teoria del flogisto differiva perché definiva il calore in un modo più chimico che meccanico. Convenzionalmente la termodinamica comincia nel 1824: pubblicazione del (1853)libro di Carnot "La potenza motrice del fuoco" in cui l'effetto del flusso di calore in una macchina termica è paragonato al flusso di acqua in una macchina idraulica: il calore rimane costante, ma deve diminuire la temperatura. Il rendimento della macchina termica è correlato alla differenza di temperatura; non è corretto, ma allora il rendimento dei motori a vapore era circa del 2 %. Intorno alla metà dell'800 i lavori di Meyer,Joule,Clausius, Helmholtz portano alla definizione del secondo principio (1853), del primo principio (1854) e del principio di conservazione dell'energia. Dal 1880 Boltzmann e Maxwell introducono l'approccio statistico dell'approccio chimico fisico allo studio dei sistemi reali. L'idea viene fieramente avversata fino a quasi metà del '900 quando l'entropia viene correlata al concetto di informazione e alla telematica. A partire dal 1920 Prigogine, russo, fonda la scuola di Bruxelles di "biogeochimica" per lo studio dei sistemi reali, cioè lontani dall'equlibrio e dei sistemi metastabili. Nel 1980 Lovelock propone l'ipotesi di Gaia e nel 1990 propone la teria di Gaia, ormai consolidata.

Introduzione alla termodinamica classica

La termodinamica è lo studio dell'energia. Nello specifico, la termodinamica è lo studio del trasferimento di energia nei sistemi.

La termodinamica classica è composta da metodi e costrutti usati per contabilizzare l'energia di un sistema a livello macroscopico; si può pensare che sia un modo per contabilizzare l'energia. Si possono azzardare dei paragoni economici: come qualcuno gestisce il denaro per sfruttarlo nel miglior modo possibile, così i fisici lavorano allo scopo di sfruttare al meglio l'energia del sistema. Ma mentre il sistema economico deve lottare contro gli sprechi, la termodinamica ha nemici implacabili come l'entalpia e la irreversibilità. In entrambi i casi, una attenta adesione ad alcune semplici regole permette di migliorare l'uso delle risorse disponibili.
Se la semplicità della termodinamica non convince gli studenti, allora occorre concentrarsi sull'importanza che oggi ha assunto il trasferimento di energia nel nostro pianeta. Fino a 150 anni fa, l'economia della Terra era basata sul lavoro dell'uomo e la macchina umana utilizzava principalmente i carboidrati come fonte di energia. L'unico carburante disponibile, se così lo possiamo chiamare, era il cibo che viene convertito in energia attraverso un complesso sistema di reazioni chimiche. La civiltà odierna ha bisogno di energia e deve fare i conti anche con la possibilità di fonti alternative e diversificate.
La termodinamica viene in aiuto nel ritagliare nuovi spazi di efficienza. Le centrali sono gli impianti deputati a produrre energia ed a trasformarla nel modo ritenuto migliore. I razzi che trasferiscono i satelliti geostazionari su orbite prestabilite devono essere frutto di una attenta progettazione. La battaglia per l' energia non è ancora terminata.Capire cosa voglia dire sfruttamento razionale dell'energia è un passo significativo.

Forme di energia a livello macroscopico

Sarà principale interesse del lettore apprendere bene il concetto di energia prima di discuterlo in modo più approfondito. Per iniziare un corso di termodinamica è necessario interrogarsi sulle tre principali forme di energia che sono discusse in termodinamica a livello macro. Ne esistono parecchie altre, ma sempre legate ad un approfondimento ulteriore ed oggetto di studi più avanzati.

Il moto è la prima manifestazione dell'energia ed è anche una delle più facili da apprendere. L'energia cinetica è l'energia di una massa in movimento. Per capirsi con un esempio, una macchina in movimento possiede più energia cinetica di una macchina in quiete cioè immobile. Una macchina che corre alla velocità di 60 km/h ha più energia cinetica di una che viaggia ad una velocità di 30 km/h.

Il secondo tipo di energia è chiamato energia potenziale. L'energia potenziale è quella di un corpo che viene sollevato ad una certa altezza. Una macchina all'altezza di 50 m ha più energia potenziale di una che è posta a 25 m di altezza. Questo concetto di energia potenziale si comprende meglio se immaginiamo di far cadere questa macchina. La prima impatterà da 50 con una energia maggiore di quella posta a 25 m, in quanto è stata accelerata per un tempo maggiore dalla forza di gravità.
La caduta di un corpo (o di un grave, per usare un termine fisico più appropriato) ci dà la prima possibilità di capire il concetto di trasferimento o conversione di energia in un'altra forma di energia. Anche gli scienziati che devono cercare di progettare un razzo devono fare i conti con l'energia potenziale.

La terza ed ultima forma di energia, che poi è la più importante in termodinamica, è la temperatura. L'energia interna di un oggetto è misurata dalla sua temperatura. Un litro di acqua calda ha al suo interno una maggior temperatura di un litro di acqua fredda, quindi possiede più energia. L'energia interna è una misura dell'energia cinetica delle molecole e degli atomi che compongono la sostanza. Poiché ogni atomo o molecola agisce secondo proprie regole, questa energia interna è differente dall'energia cinetica associata al solido.
L'energia interna della materia dipende dal moto delle molecole. Le molecole di un gas ad alta temperatura schizzano letteralmente urtando le pareti del recipiente e le altre molecole. Anche le molecole di un solido ad alta temperatura si muovono moltissimo, ma essendo vincolate con le altre molecole vibrano anziché spostarsi. In breve la termodinamica classica studia le succitate forme di energia.Quelle forme di energia possono trasferirsi sia attraverso i corpi sia attraverso i sistemi.

La termodinamica fornisce essenzialmente alcune definizioni necessarie per lo studio dei sistemi termodinamici. Due importanti regole riguardano un bilanciamento dell'energia disponibile e una regola chiave per capire la qualità dell'energia messa in gioco'. Capire il lavoro e le complesse regole che governano la termodinamica a livello macroscopico permette di avere a disposizione un interessante set di strumenti per analizzare una miriade di fenomeni, di problemi ingegneristici di una certa complessità ed anche problemi di tipo pratico.