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I principio della termodinamica
Se il principio zero della termodinamica è un modo di definire la grandezza temperatura, il primo principio della termodinamica è il principio di conservazione dell'energia che comprende sia gli scambi energetici meccanici, sia quelli termici.
Come abbiamo visto, calore e lavoro sono due diverse modalità di trasferimento dell'energia: il calore è uno scambio termico fra corpi a diversa temperatura, mentre lo scambio meccanico avviene mediante il lavoro di una forza.
Come sappiamo dalla meccanica, si compie lavoro positivo su un corpo se si riesce a spostarlo nella direzione della forza applicata (oppure nella direzione di una componente della forza): fare lavoro positivivo significa cedere energia, fare lavoro negativo significa acquistare energia.
La convenzione dei segni degli scambi energetici è raffigurata nello schema qui accanto:
- Il calore Q è considerato positivo se acquistato dal sistema, negativo se ceduto all'ambiente
- Il lavoro L è considerato positivo se fatto dal sistema, negativo se fatto dall'ambiente
Se un gas acquista calore dall'ambiente (Q positivo), la sua energia interna tende ad aumentare, se cede calore all'ambiente (Q negativo), la sua energia interna tende a diminuire.
Se un gas si espande (L positivo), compie un lavoro a spese della sua energia interna che quindi tende a diminuire, se viene compresso (L negativo) è l'ambiente che trasferisce energia al gas e l'energia interna del gas tende ad aumentare.
Primo principio della termodinamica: La variazione di energia interna di un sistema è pari alla somma algebrica degli scambi di calore e di lavoro effettuati.
ΔU = Q - L
Se un sistema è isolato sia termicamente (Q = 0), sia meccanicamente (L = 0), la sua energia interna rimane costante.
ΔU = 0
Consideriamo il modello di gas che abbiamo visto nella simulazione Gas perfetto: se riscaldiamo l'ambiente a pressione costante, il gas si riscalda e si dilata. La trasformazione, in questo caso, è isobara. Quali sono gli scambi energetici che avvengono durante la trasformazione e cosa succede all'energia interna del gas?
C'è un passaggio di calore Q (positivo) dall'ambiente al gas tramite la base conduttrice. Il gas però si dilata e consuma energia per sollevare il pistone compiendo un lavoro L (positivo) contro l'ambiente.
La variazione ΔU di energia interna del gas dipende dal valore di Q e di L.
- aumenta
- diminuisce
- rimane costante
L'energia interna è una funzione di stato il cui valore, per un gas ideale, dipende esclusivamente dalla temperatura: poichè il gas si è riscaldato, la sua energia interna è aumentata. Questo significa che la quantità di energia acquistata come calore è maggiore della quantità di energia spesa come lavoro.
In una dilatazione isobara Q ed L sono entrambi positivi ed è positiva anche la variazione ΔU di energia interna:
ΔU = Q - L > 0 e quindi Q > L
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Copyleft Ludovica Battista