Che cos'è un processo isotermico in fisica?

La scienza della fisica studia oggetti e sistemi per misurare i loro movimenti, temperature e altre caratteristiche fisiche. Può essere applicato a qualsiasi cosa, dagli organismi monocellulari ai sistemi meccanici, ai pianeti, alle stelle e alle galassie e ai processi che li governano. All'interno della fisica, la termodinamica è un ramo che si concentra sui cambiamenti di energia (calore) nelle proprietà di un sistema durante qualsiasi reazione fisica o chimica. 

Il "processo isotermico", che è un processo termodinamico in cui la temperatura di un sistema rimane costante. Il trasferimento di calore all'interno o all'esterno del sistema avviene così lentamente che viene mantenuto l'equilibrio termico. "Termico" è un termine che descrive il calore di un sistema. "Iso" significa "uguale", quindi "isotermico" significa "uguale calore", che è ciò che definisce l'equilibrio termico.

Il processo isotermico

In generale, durante un processo isotermico c'è un cambiamento nell'energia interna, nell'energia termica e nel lavoro, anche se la temperatura rimane la stessa. Qualcosa nel sistema funziona per mantenere la stessa temperatura. Un semplice esempio ideale è il ciclo di Carnot, che sostanzialmente descrive il funzionamento di un motore termico fornendo calore a un gas. Di conseguenza, il gas si espande in un cilindro e questo spinge un pistone a fare qualche lavoro. Il calore o il gas deve quindi essere espulso dal cilindro (o scaricato) in modo che possa avvenire il successivo ciclo di riscaldamento / espansione. Questo è ciò che accade all'interno di un motore di un'auto, per esempio. Se questo ciclo è completamente efficiente, il processo è isotermico perché la temperatura viene mantenuta costante mentre la pressione cambia. 

Per comprendere le basi del processo isotermico, considerare l'azione dei gas in un sistema. L'energia interna di un gas ideale dipende esclusivamente dalla temperatura, quindi la variazione di energia interna durante un processo isotermico per un gas ideale è anche 0. In tale sistema, tutto il calore aggiunto a un sistema (di gas) svolge attività per mantenere il processo isotermico, purché la pressione rimane costante. In sostanza, quando si considera un gas ideale, il lavoro svolto sul sistema per mantenere la temperatura significa che il volume del gas deve diminuire all'aumentare della pressione sul sistema. 

Processi isotermici e stati di materia

I processi isotermici sono numerosi e vari. L'evaporazione dell'acqua nell'aria è una, così come l'ebollizione dell'acqua in un punto di ebollizione specifico. Esistono anche molte reazioni chimiche che mantengono l'equilibrio termico e in biologia si dice che le interazioni di una cellula con le sue cellule circostanti (o altra materia) siano un processo isotermico.  

L'evaporazione, la fusione e l'ebollizione sono anche "cambiamenti di fase". Cioè, sono cambiamenti nell'acqua (o altri fluidi o gas) che avvengono a temperatura e pressione costanti. 

Tracciare un processo isotermico

In fisica, la creazione di grafici di tali reazioni e processi viene eseguita utilizzando diagrammi (grafici). In un diagramma di fase, un processo isotermico viene tracciato seguendo una linea verticale (o piano, in un diagramma di fase 3D) lungo una temperatura costante. La pressione e il volume possono cambiare per mantenere la temperatura del sistema.

Man mano che cambiano, è possibile che una sostanza cambi il suo stato della materia anche se la sua temperatura rimane costante. Pertanto, l'evaporazione dell'acqua mentre bolle significa che la temperatura rimane la stessa del sistema che cambia pressione e volume. Questo viene quindi tracciato con la tempera che rimane costante lungo il diagramma. 

Cosa significa tutto

Quando gli scienziati studiano i processi isotermici nei sistemi, stanno davvero esaminando il calore e l'energia e la connessione tra loro e l'energia meccanica necessaria per modificare o mantenere la temperatura di un sistema. Tale comprensione aiuta i biologi a studiare come gli esseri viventi regolano le loro temperature. Entra anche in gioco in ingegneria, scienze spaziali, scienze planetarie, geologia e molti altri rami della scienza. I cicli di potenza termodinamici (e quindi i processi isotermici) sono l'idea alla base dei motori termici. Gli umani usano questi dispositivi per alimentare impianti di generazione elettrica e, come detto sopra, automobili, camion, aerei e altri veicoli. Inoltre, tali sistemi esistono su razzi e veicoli spaziali. Gli ingegneri applicano i principi della gestione termica (in altre parole, la gestione della temperatura) per aumentare l'efficienza di questi sistemi e processi. 

A cura e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.