Termodinamica

Grandezze di stato

sistema_ambiente (5K)

Temperatura

La temperatura è una proprietà che caratterizza lo stato di un corpo in equilibrio termico con l'ambiente in cui si trova.

Se un sistema è in equilibrio termico con l'ambiente (Ts = Ta), non ci sono scambi di calore tra sistema e ambiente o tra i diversi elementi del sistema

Ogni corpo può essere considerato a sua volta come un sistema costituito dalle particelle elementari (molecole) che lo compongono.

Le grandezze che si riferiscono alle particelle componenti sono dette microscopiche. Tali sono, per esempio, la massa, la velocità, l'energia cinetica di ogni molecola. Le grandezze riferite al sistema nel suo complesso sono dette macroscopiche.

La temperatura è una grandezza macroscopica: si può parlare di temperatura del sistema, ma non ha alcun senso parlare di molecole "calde" o "fredde".

Considera la tua classe come un sistema composto dagli alunni. Quali, tra le seguenti caratteristiche, sono "macroscopiche" e quali "microscopiche"?

Tutto ciò che si riferisce alla media della classe è macroscopico (altezza media, voto medio, giudizio del consiglio sulla classe), mentre le caratteristiche dei singoli alunni (voto in fisica, cognome, giudizio su Rossi Mario) sono microscopiche.

Un sistema in equilibrio è caratterizzato da valori stabili di alcune grandezze dette di stato: oltre alla temperatura, sono fondamentali i valori di altre due grandezze macroscopiche: il volume e la pressione.

Volume

I corpi solidi e liquidi hanno un volume proprio che può variare con la temperatura (dilatazione termica) e, in misura molto minore, con la pressione. Solidi e liquidi sono praticamente incompressibili. I gas invece non hanno un volume proprio ma occupano tutto il volume a loro disposizione, a causa del movimento caotico delle particelle microscopiche che li compongono e che sono libere di muoversi in qualsiasi direzione spaziale.

Il volume occupato da un gas, quindi, è molto maggiore del volume proprio delle molecole (che è quasi nullo).

L'unità di misura SI del volume è il m3, ma spesso si usa il dm3 o litro.

Pressione

La pressione è una grandezza fisica scalare definita come rapporto tra una forza che agisce perpendicolarmente ad una superficie e la superficie stessa

pressione = forza normale / superficie

La pressione è quindi, a parità di forza premente, inversamente proporzionale alla superficie. Il fatto di sprofondare o meno nella neve non dipende tanto dal peso, quanto dalla pressione esercitata sulla superficie nevosa. Gli sci (come anche le racchette da neve) offrono una grande superficie e quindi causano una pressione minore. Analogamente camminare sui tacchi a spillo esercita sul pavimento una pressione maggiore che usare pantofole.

L'unità di misura SI della pressione è il pascal (simbolo Pa):

1 Pa = 1 N/m2

Questa unità di misura è veramente molto piccola: si pensi che corrisponde alla forza di 1 N (circa il peso di un limone) distribuita su una superficie di 1 m2. In genere la pressione si misura con multipli del pascal come il kPa o il bar (1 bar = 105 Pa).
La pressione atmosferica, cioè la pressione esercitata su ogni corpo dall'aria che ci circonda, vale, al livello del mare, circa 1 bar

patm = 101 kPa

Questo significa che, generalmente, un corpo solido o liquido si trova alla pressione atmosferica e che le trasformazioni di volume e temperatura avvengono a pressione costante. La pressione di un gas, invece, può variare facilmente.

pressione (5K)

Consideriamo una certa quantità di aria chiusa in un cilindro a tenuta stagna con un pistone libero di scorrere all'interno del cilindro: la pressione sul gas può essere facilmente modificata agendo sul pistone.
All'equilibrio la pressione esterna (dall'ambiente al gas) è uguale a quella interna (dal gas verso l'ambiente) esercitata dalle molecole del gas sulle pareti interne.




Il principio di Pascal afferma che se si esercita una forza sulla superficie del pistone, la pressione si trasmette a tutto il gas all'interno del contenitore che a sua volta esercita la stessa pressione su tutte le pareti interne indipendentemente dalla loro orientazione.

Diagramma pressione - volume

Lo stato di un gas è rappresentato da tre parametri: la temperatura, il volume, la pressione. Avremmo bisogno quindi di una rappresentazione grafica tridimensionale (un asse per ogni paramentro). Dovendo utilizzare una rappresentazione bidimensionale, si devono scegliere solo due grandezze: usualmente si usano diagrammi pressione - volume.

Un punto in un diagramma p-V rappresenta lo stato di un gas. Le coordinate cartesiane informano sui valori di volume e pressione, mentre la temperatura è generalmente indicata vicino al punto.

Una trasformazione di un gas è una rottura dell'equilibrio iniziale con la conseguente variazione di almeno due delle tre grandezze di stato, fino ad arrivare ad uno stato finale con un nuovo equilibrio.