Leggi della termodinamica

La branca della scienza chiamata termodinamica si occupa di sistemi in grado di trasferire energia termica in almeno un'altra forma di energia (meccanica, elettrica, ecc.) O in opera. Le leggi della termodinamica sono state sviluppate nel corso degli anni come alcune delle regole più fondamentali che vengono seguite quando un sistema termodinamico subisce una sorta di cambiamento di energia.

Storia della termodinamica

La storia della termodinamica inizia con Otto von Guericke che, nel 1650, costruì la prima pompa per vuoto al mondo e dimostrò un vuoto usando i suoi emisferi di Magdeburgo. Guericke fu spinto a fare il vuoto per confutare la supposizione di lunga data di Aristotele secondo cui "la natura detesta il vuoto". Poco dopo Guericke, il fisico e chimico inglese Robert Boyle aveva appreso dei progetti di Guericke e, nel 1656, in collaborazione con lo scienziato inglese Robert Hooke, costruì una pompa ad aria. Usando questa pompa, Boyle e Hooke hanno notato una correlazione tra pressione, temperatura e volume. Nel tempo, fu formulata la Legge di Boyle, che afferma che la pressione e il volume sono inversamente proporzionali. 

Conseguenze delle leggi della termodinamica

Le leggi della termodinamica tendono ad essere abbastanza facili da affermare e comprendere ... al punto che è facile sottovalutare l'impatto che hanno. Tra le altre cose, pongono dei vincoli su come l'energia può essere usata nell'universo. Sarebbe molto difficile enfatizzare eccessivamente l'importanza di questo concetto. Le conseguenze delle leggi della termodinamica toccano in qualche modo quasi ogni aspetto dell'indagine scientifica.

Concetti chiave per comprendere le leggi della termodinamica

Per comprendere le leggi della termodinamica, è essenziale comprendere alcuni altri concetti di termodinamica che si riferiscono ad essi.

• Panoramica della termodinamica: una panoramica dei principi di base del campo della termodinamica
• Energia termica - una definizione di base di energia termica
• Temperatura: una definizione di base della temperatura
• Introduzione al trasferimento di calore - una spiegazione di vari metodi di trasferimento di calore.
• Processi termodinamici: le leggi della termodinamica si applicano principalmente ai processi termodinamici, quando un sistema termodinamico attraversa una sorta di trasferimento energetico.

Sviluppo delle leggi della termodinamica

Lo studio del calore come forma distinta di energia iniziò nel 1798 circa quando Sir Benjamin Thompson (noto anche come Conte Rumford), un ingegnere militare britannico, notò che il calore poteva essere generato in proporzione alla quantità di lavoro svolto ... un concetto fondamentale che diventerebbe in definitiva una conseguenza della prima legge della termodinamica.

Il fisico francese Sadi Carnot formulò per la prima volta un principio di base della termodinamica nel 1824. I principi che Carnot usò per definire il suo Ciclo di Carnot il motore termico alla fine si tradurrebbe nella seconda legge della termodinamica dal fisico tedesco Rudolf Clausius, a cui viene anche frequentemente attribuita la formulazione della prima legge della termodinamica.

Parte del motivo del rapido sviluppo della termodinamica nel diciannovesimo secolo era la necessità di sviluppare efficienti motori a vapore durante la rivoluzione industriale.

Teoria cinetica e leggi della termodinamica

Le leggi della termodinamica non si occupano particolarmente dello specifico come e perché del trasferimento di calore, che ha senso per le leggi che sono state formulate prima che la teoria atomica fosse pienamente adottata. Si occupano della somma totale delle transizioni di energia e calore all'interno di un sistema e non tengono conto della natura specifica del trasferimento di calore a livello atomico o molecolare.

La legge zero della termodinamica

Questa a zero legge è una sorta di proprietà transitiva dell'equilibrio termico. La proprietà transitiva della matematica dice che se A = B e B = C, allora A = C. Lo stesso vale per i sistemi termodinamici che sono in equilibrio termico.

Una delle conseguenze della legge zero è l'idea che la misurazione della temperatura abbia alcun significato. Per misurare la temperatura, l'equilibrio termico deve essere raggiunto tra il termometro nel suo insieme, il mercurio all'interno del termometro e la sostanza da misurare. Questo, a sua volta, si traduce nella capacità di dire con precisione quale sia la temperatura della sostanza.

Questa legge fu compresa senza essere stata esplicitamente dichiarata attraverso gran parte della storia dello studio della termodinamica, e si rese conto che era una legge a sé stante all'inizio del XX secolo. Fu il fisico britannico Ralph H. Fowler a coniare per primo il termine "legge zero", basato sulla convinzione che fosse più fondamentale anche delle altre leggi.

La prima legge della termodinamica

Anche se può sembrare complesso, è davvero un'idea molto semplice. Se aggiungi calore a un sistema, ci sono solo due cose che possono essere fatte: cambiare l'energia interna del sistema o far funzionare il sistema (o, ovviamente, una combinazione dei due). Tutta l'energia termica deve andare a fare queste cose.