Sistemi termodinamici. Equilibrio termodinamico. Variabili di stato
Gennaio 5th, 2022 | by Marcello Colozzo |
Introduzione
La termodinamica studia il comportamento termico della materia, prendendo le mosse dal seguente fatto sperimentale: molti processi fisici non possono essere spiegati attraverso l'ipotesi che il calore sia un fluido indistruttibile in grado di trasferirsi tra corpi a temperature diverse. Si pensi ad esempio, all'aumento di temperatura dovuto all'attrito. In tal caso si avrebbe una violazione della conservazione del fluido che modellizza il calore (in modo più semplice: si genera calore in assenza di una sorgente termica).
Sistemi termodinamici
Il procedimento standard utilizzato in Meccanica per lo studio dell'evoluzione temporale di un sistema a N particelle che consiste nel descrivere il comportamento dinamico di singola particella, perde di significato per N » 1, e tale disuguaglianza si realizza per sistemi macroscopici (si pensi a un gas). Si è però visto che proprio in virtù di un numero straordinariamente grande di particelle, sono sufficienti poche grandezze macroscopiche (pressione, volume, temperatura, etc.) per determinare univocamente il comportamento del sistema.
Chiameremo dunque, sistemi termodinamici tutti e soli i sistemi macroscopici descrivibili nel suddetto schema.
Equilibrio termodinamico
Supponiamo di avere una massa gassosa contenuta in un recipiente di volume V. Anche se inizialmente grandezze come temperatura, pressione, etc., non sono uniformi, dopo un tempo più o meno lungo, il sistema si porta verso una configurazione in cui tali grandezze sono uniformi e stazionarie (cioè conservano lo stesso valore in ogni "porzione" del sistema, e il valore non cambia nel tempo).
Variabili di stato. Equazione di stato
Per quanto precede, in termodinamica si rinuncia a una descrizione microscopica di un sistema fisico, e ci si concentra su un numero limitato di grandezze macroscopiche che chiamiamo variabili di stato. È chiaro che all'equilibrio termodinamico tali grandezze assumono un valore costante che è altresì indipendente dalle modalità di raggiungimento dell'equilibrio.
Le variabili di stato si classificano in:
- Variabili di stato intensive
Sono grandezze che non dipendono dalla quantità di materia e quindi dalle dimensioni del sistema. Un tipico esempio è la temperatura.
- Variabili di stato estensive
Dipendono dalle dimensioni del sistema. Un tipico esempio è il volume.
In base a queste definizioni, nell'esempio del gas contenuto in un volume V, si ha che la temperatura T e la pressione P sono variabili intensive, mentre il volume V è una variabile estensiva.