Una panoramica della termodinamica

La termodinamica è il campo della fisica che si occupa della relazione tra calore e altre proprietà (come pressione, densità, temperatura, ecc.) In una sostanza.

In particolare, la termodinamica si concentra in gran parte su come un trasferimento di calore è correlato a vari cambiamenti di energia all'interno di un sistema fisico sottoposto a un processo termodinamico. Tali processi di solito comportano il lavoro svolto dal sistema e sono guidati dalle leggi della termodinamica.

Concetti di base del trasferimento di calore

In generale, il calore di un materiale è inteso come una rappresentazione dell'energia contenuta nelle particelle di quel materiale. Questa è nota come teoria cinetica dei gas, sebbene il concetto si applichi in vari gradi anche ai solidi e ai liquidi. Il calore del moto di queste particelle può trasferirsi in particelle vicine, e quindi in altre parti del materiale o di altri materiali, attraverso una varietà di mezzi:

• Contatto termico è quando due sostanze possono influenzare reciprocamente la temperatura.
• Equilibrio termale è quando due sostanze a contatto termico non trasferiscono più calore.
• Dilatazione termica si verifica quando una sostanza si espande di volume man mano che aumenta il calore. Esiste anche una contrazione termica.
• Conduzione è quando il calore scorre attraverso un solido riscaldato.
• Convezione è quando le particelle riscaldate trasferiscono il calore ad un'altra sostanza, come cucinare qualcosa in acqua bollente.
• Radiazione è quando il calore viene trasferito attraverso le onde elettromagnetiche, ad esempio dal sole.
• Isolamento è quando un materiale a bassa conduttività viene utilizzato per impedire il trasferimento di calore.

Processi Termodinamici

Un sistema subisce un processo termodinamico quando si verifica una sorta di cambiamento energetico all'interno del sistema, generalmente associato a variazioni di pressione, volume, energia interna (cioè temperatura) o qualsiasi tipo di trasferimento di calore.

Esistono diversi tipi specifici di processi termodinamici con proprietà speciali:

• Processo adiabatico: un processo senza trasferimento di calore all'interno o all'esterno del sistema.
• Processo isocorico: un processo senza variazione di volume, nel qual caso il sistema non funziona.
• Processo isobarico: un processo senza cambiamenti di pressione.
• Processo isotermico: un processo senza variazioni di temperatura.

Stati della materia

Uno stato della materia è una descrizione del tipo di struttura fisica che si manifesta una sostanza materiale, con proprietà che descrivono come il materiale tiene insieme (o no). Esistono cinque stati della materia, sebbene solo i primi tre siano generalmente inclusi nel modo in cui pensiamo agli stati della materia:

• gas
• liquido
• solido
• plasma
• superfluido (come un condensato di Bose-Einstein)

Molte sostanze possono passare tra le fasi gassosa, liquida e solida della materia, mentre solo poche sostanze rare sono in grado di entrare in uno stato superfluo. Il plasma è uno stato distinto della materia, come un fulmine 

• condensa - gas a liquido
• congelamento: da liquido a solido
• fusione - da solido a liquido
• sublimazione - solido a gas
• vaporizzazione - liquido o solido a gas

Capacità termica

La capacità di calore, C, di un oggetto è il rapporto di variazione del calore (variazione di energia, ΔQ, dove il simbolo greco Delta, Δ, indica una variazione della quantità) per cambiare la temperatura (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

La capacità termica di una sostanza indica la facilità con cui una sostanza si riscalda. Un buon conduttore termico avrebbe una bassa capacità termica, indicando che una piccola quantità di energia provoca un grande cambiamento di temperatura. Un buon isolante termico avrebbe una grande capacità termica, indicando che è necessario molto trasferimento di energia per un cambiamento di temperatura.

Equazioni del gas ideali

Esistono varie equazioni di gas ideali che riguardano la temperatura (T₁), pressione (P₁) e volume (V₁). Questi valori dopo una variazione termodinamica sono indicati da (T₂), (P₂), e (V₂). Per una determinata quantità di una sostanza, n (misurato in moli), valgono le seguenti relazioni:

Legge di Boyle ( T è costante):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Legge Charles / Gay-Lussac (P è costante):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Legge sui gas ideali:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R è il costante di gas ideale, R = 8,3145 J / mol * K. Per una determinata quantità di materia, quindi, nR è costante, il che dà la legge del gas ideale.

Leggi della termodinamica

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Due sistemi ciascuno in equilibrio termico con un terzo sistema sono in equilibrio termico tra loro.
• Prima legge della termodinamica - Il cambiamento nell'energia di un sistema è la quantità di energia aggiunta al sistema meno l'energia spesa per fare il lavoro.
• Seconda legge della termodinamica - È impossibile per un processo avere come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo più freddo a uno più caldo.
• Terza legge della termodinamica - È impossibile ridurre qualsiasi sistema allo zero assoluto in una serie finita di operazioni. Ciò significa che non è possibile creare un motore termico perfettamente efficiente.

La seconda legge ed entropia

La seconda legge della termodinamica può essere riformulata per parlarne entropia, che è una misurazione quantitativa del disturbo in un sistema. Il cambiamento di calore diviso per la temperatura assoluta è il cambiamento di entropia del processo. Definita in questo modo, la Seconda Legge può essere riformulata come:

In qualsiasi sistema chiuso, l'entropia del sistema rimarrà costante o aumenterà.

Per "sistema chiuso" significa che ogni parte del processo è inclusa nel calcolo dell'entropia del sistema.

Maggiori informazioni sulla termodinamica

In un certo senso, trattare la termodinamica come una distinta disciplina della fisica è fuorviante. La termodinamica tocca praticamente ogni campo della fisica, dall'astrofisica alla biofisica, perché tutti affrontano in qualche modo il cambiamento di energia in un sistema. Senza la capacità di un sistema di utilizzare l'energia all'interno del sistema per fare il lavoro - il cuore della termodinamica - non ci sarebbe nulla da studiare per i fisici.

Detto questo, ci sono alcuni campi che usano la termodinamica nel passare mentre studiano altri fenomeni, mentre ci sono una vasta gamma di campi che si concentrano pesantemente sulle situazioni termodinamiche coinvolte. Ecco alcuni dei sottocampi della termodinamica:

• Criofisica / Criogenica / Fisica delle basse temperature - lo studio delle proprietà fisiche in situazioni di bassa temperatura, molto al di sotto delle temperature sperimentate anche nelle regioni più fredde della Terra. Un esempio di questo è lo studio dei superfluidi.
• Fluid Dynamics / Fluid Mechanics - lo studio delle proprietà fisiche dei "fluidi", definiti in questo caso specificamente come liquidi e gas.
• Fisica ad alta pressione - lo studio della fisica in sistemi ad altissima pressione, generalmente legati alla fluidodinamica.
• Meteorologia / Fisica meteorologica - la fisica del tempo, i sistemi di pressione nell'atmosfera, ecc.
• Fisica del plasma - lo studio della materia nello stato del plasma.