Leggi della termodinamica: concetto e caratteristiche

Spieghiamo che sono le leggi della termodinamica, qual è l'origine di questi principi e le principali caratteristiche di ciascuno.

Le leggi della termodinamica servono a comprendere le leggi fisiche dell'universo.

Quali sono le leggi della termodinamica?

Quando parliamo delle leggi della termodinamica o dei principi della termodinamica, ci riferiamo alle formulazioni più elementari di questo ramo della fisica , interessate come suggerisce il nome ( dal thermos greco, "calore", e dynamos, "potere", "forza") nella dinamica del calore e di altre forme di energia nota.

Queste leggi o principi della termodinamica sono un insieme di formule ed equazioni che descrivono il comportamento dei cosiddetti sistemi termodinamici , cioè di una parte dell'universo teoricamente isolata per lo studio e la comprensione, usando le sue quantità fisiche fondamentali: temperatura, energia ed entropia.

Esistono quattro leggi della termodinamica, elencate da zero a tre, e servono a comprendere le leggi fisiche dell'universo , nonché l'impossibilità di alcuni fenomeni come il moto perpetuo.

Vedi anche: Principio di risparmio energetico.

Origine delle leggi della termodinamica

I quattro principi della termodinamica hanno origini diverse, e alcuni sono stati formulati dai precedenti .Il primo a stabilire, infatti, è stato il secondo, il lavoro del fisico e L'ingegnere francese Nicolas Leonard Sadi Carnot nel 1824.

Tuttavia, nel 1860 questo principio sarebbe stato nuovamente formulato da Rudolf Clausius e William Thompson, aggiungendo poi quella che ora chiamiamo la Prima Legge della Termodinamica.Successivamente apparirà la terza, più moderna, grazie agli studi di Walther Nernst tra il 1906 e il 1912, motivo per cui è noto come il postulato di Nernst.

Infine, la cosiddetta "legge zero" apparirà nel 1930 , proposta da Guggenheim e Fowler.Va detto che non in tutte le aree è riconosciuta come una vera legge.

Prima legge della termodinamica

L'energia non può essere creata o distrutta, solo trasformata.

Il titolo di questa legge è "Legge sulla conservazione dell'energia", poiché stabilisce che, in qualsiasi sistema fisico isolato dall'ambiente circostante, 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."

Quindi, fornendo una certa quantità di calore (Q) a un sistema fisico, la sua quantità totale di energia può essere calcolata trovando la differenza nell'aumento della sua energia interna (ΔU) più il lavoro (W) svolto dal sistema sull'ambiente circostante O espresso in una formula: Q=ΔU + W, o anche: ΔU=Q-W , il che significa che la differenza tra l'energia del sistema e il lavoro svolto sarà sempre staccato dal sistema come energia termica (calore).

Per esemplificare questa legge, immaginiamo il motore di un aeroplano .È un sistema termodinamico a cui entra il carburante che, reagendo con l'ossigeno dell'aria e la scintilla generata dalla combustione, rilascia un notevole quantità di calore e lavoro.Quest'ultimo è precisamente il movimento che spinge in avanti l'aereo, quindi: se potessimo misurare la quantità di combustibile consumato, la quantità di lavoro (movimento) e la quantità di calore rilasciato, potremmo calcolare l'energia totale del sistema e concludere che l'energia nel motore è rimasta costante durante il volo: né l'energia è stata creata né distrutta, ma è stata fatta passare da energia chimica a energia termica ed energia cinetica (movimento, cioè lavoro ).

Seconda legge della termodinamica

Dato abbastanza tempo, tutti i sistemi tenderanno a squilibrare.

Questo secondo principio, a volte chiamato Legge dell'Entropia, può essere riassunto in quel “la quantità di entropia nell'universo tende ad aumentare nel tempo ".Ciò significa che il grado di disordine dei sistemi aumenta una volta che hanno raggiunto il punto di equilibrio, quindi dato il abbastanza a lungo, tutti i sistemi alla fine porteranno a uno squilibrio.

Questa legge spiega l'irreversibilità dei fenomeni fisici, ovvero il fatto che una volta che un documento è stato bruciato, non può essere riportato alla sua forma originale .Inoltre, introduce la funzione statale entropia (rappresentata come S), che nel caso dei sistemi fisici rappresenta il grado di disordine, cioè la sua inevitabile perdita di energia.Pertanto, l'entropia è collegata al grado di energia non utilizzabile da un sistema, che viene perso verso l'ambiente, specialmente se si tratta di un passaggio da uno stato di equilibrio A a uno stato di equilibrio B: quest'ultimo avrà un grado di entropia più elevato del primo.

La formulazione di questa legge afferma che il cambiamento di entropia (dS) sarà sempre uguale o maggiore del trasferimento di calore (Q) , diviso per la temperatura (T) del sistema.cioè, dS ≥ δQ/T.

E per capirlo con un esempio, è sufficiente bruciare una certa quantità di materia e quindi raccogliere le ceneri risultanti.Nonostante ciò, verificheremo che è meno materia che nel suo stato iniziale.Perché? Poiché parte della questione è diventata gas irrecuperabile che tende a disperdersi e a disordine, cioè che si perde nel processo, ecco perché questa reazione non può essere invertita.

Terza legge della termodinamica

Al raggiungimento dello zero assoluto i processi dei sistemi fisici si fermano.

Questo principio riguarda la temperatura e il raffreddamento, affermando che l'entropia di un sistema che viene portato allo zero assoluto, sarà un costante definita .Detto in altre parole:

• Al raggiungimento dello zero assoluto (0 K), i processi dei sistemi fisici si fermano.


• Al raggiungimento dello zero assoluto (0 K), l'entropia avrà un valore minimo costante.

È difficile raggiungere il cosiddetto zero assoluto su base giornaliera (-273,15 ° C), come per dare un semplice esempio di questa legge, ma possiamo abbinarlo a ciò che accade nel nostro congelatore: il cibo che depositiamo lì sarà raffreddato così tanto e a temperature così basse, che rallenterà o addirittura fermerà i processi biochimici all'interno.Questo è il motivo per cui la sua decomposizione è ritardata e dura molto più a lungo adatta al consumo.

Legge zero della termodinamica

La "legge zero" è logicamente espressa in questo modo: se A=C e B=C, quindi A=B.

La "legge zero" è conosciuta con quel nome perché sebbene fosse l'ultima a essere eseguita, stabilisce precetti di base e fondamentali relativi agli altri tre .Ma in realtà il suo nome è la Legge dell'equilibrio termico.Questo principio stabilisce che: "Se due sistemi sono in equilibrio termico indipendentemente da un terzo sistema, devono anche essere in equilibrio termico tra loro."È qualcosa che può essere logicamente espresso come segue: se A=C e B=C, quindi A=B.

In poche parole, questa legge ci consente di stabilire il principio della temperatura , dal confronto dell'energia termica di due diversi corpi: se sono in equilibrio termico tra loro, allora avranno necessariamente la stessa temperatura, e quindi, se entrambi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora saranno anche l'uno nell'altro.

Gli esempi quotidiani di questa legge sono facili da trovare. Quando entriamo in acqua fredda o calda, noteremo la differenza di temperatura solo per un po ', poiché il nostro corpo entrerà quindi in equilibrio termico con il acqua e non noteremo più la differenza.Succede anche quando entriamo in una stanza calda o fredda: noteremo inizialmente la temperatura, ma poi smetteremo di percepire la differenza perché entreremo in equilibrio termico con essa.