La termodinamica è la branca della fisica che si occupa delle relazioni tra calore e altre forme di energia. In particolare, descrive come l’energia termica viene convertita da e verso altre forme di energia e come influisce sulla materia.
L’energia termica è l’energia che una sostanza o un sistema ha a causa della sua temperatura, cioè l’energia delle molecole in movimento o vibranti, secondo il sito Web di Energy Education della Texas Education Agency. La termodinamica comporta la misurazione di questa energia, che può essere “estremamente complicata”, secondo David McKee, professore di fisica alla Missouri Southern State University. “I sistemi che studiamo in termodinamica consist consistono in un numero molto grande di atomi o molecole che interagiscono in modi complicati. Ma, se questi sistemi soddisfano i giusti criteri, che chiamiamo equilibrio, possono essere descritti con un numero molto piccolo di misurazioni o numeri. Spesso questo è idealizzato come la massa del sistema, la pressione del sistema e il volume del sistema, o qualche altro insieme equivalente di numeri. Tre numeri descrivono 1026 o 1030 variabili indipendenti nominali.”
Calore
La termodinamica, quindi, riguarda diverse proprietà della materia; primo tra questi è il calore. Il calore è energia trasferita tra sostanze o sistemi a causa di una differenza di temperatura tra di loro, secondo l’educazione energetica. Come forma di energia, il calore è conservato, cioè non può essere creato o distrutto. Può, tuttavia, essere trasferito da un luogo all’altro. Il calore può anche essere convertito in e da altre forme di energia. Ad esempio, una turbina a vapore può convertire il calore in energia cinetica per far funzionare un generatore che converte l’energia cinetica in energia elettrica. Una lampadina può convertire questa energia elettrica in radiazione elettromagnetica (luce), che, quando assorbita da una superficie, viene convertita in calore.
Temperatura
La quantità di calore trasferita da una sostanza dipende dalla velocità e dal numero di atomi o molecole in movimento, secondo l’educazione energetica. Più velocemente gli atomi o le molecole si muovono, maggiore è la temperatura e più atomi o molecole che sono in movimento, maggiore è la quantità di calore che trasferiscono.
La temperatura è “una misura dell’energia cinetica media delle particelle in un campione di materia, espressa in termini di unità o gradi designati su una scala standard”, secondo l’American Heritage Dictionary. La scala di temperatura più comunemente utilizzata è Celsius, che si basa sui punti di congelamento e ebollizione dell’acqua, assegnando i rispettivi valori di 0 gradi C e 100 gradi C. La scala Fahrenheit si basa anche sui punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua che hanno assegnato valori di 32 F e 212 F, rispettivamente.
Gli scienziati di tutto il mondo, tuttavia, usano la scala Kelvin (K senza segno di grado), dal nome di William Thomson, 1 ° barone Kelvin, perché funziona nei calcoli. Questa scala utilizza lo stesso incremento della scala Celsius, cioè una variazione di temperatura di 1 C è uguale a 1 K. Tuttavia, la scala Kelvin inizia allo zero assoluto, la temperatura alla quale c’è una totale assenza di energia termica e tutto il movimento molecolare si ferma. Una temperatura di 0 K è uguale a meno 459.67 F o meno 273.15 C.
calore Specifico
La quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una certa massa di una sostanza da una certa quantità è chiamato calore specifico, o calore specifico, secondo Wolfram Research. L’unità convenzionale per questo è calorie per grammo per kelvin. La caloria è definita come la quantità di energia termica necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua a 4 C di 1 grado.
Il calore specifico di un metallo dipende quasi interamente dal numero di atomi nel campione, non dalla sua massa. Ad esempio, un chilogrammo di alluminio può assorbire circa sette volte più calore di un chilogrammo di piombo. Tuttavia, gli atomi di piombo possono assorbire solo circa l ‘ 8% in più di calore rispetto a un numero uguale di atomi di alluminio. Una data massa d’acqua, tuttavia, può assorbire quasi cinque volte più calore di una massa uguale di alluminio. Il calore specifico di un gas è più complesso e dipende dal fatto che sia misurato a pressione costante o a volume costante.
Conducibilità termica
La conducibilità termica (k) è “la velocità con cui il calore passa attraverso un materiale specificato, espressa come la quantità di calore che scorre per unità di tempo attraverso un’area unitaria con un gradiente di temperatura di un grado per unità di distanza”, secondo l’Oxford Dictionary. L’unità per k è watt (W) per metro (m) per kelvin (K). I valori di k per metalli come rame e argento sono relativamente alti a 401 e 428 W/m·K, rispettivamente. Questa proprietà rende questi materiali utili per i radiatori dell’automobile e le alette di raffreddamento per i chip di computer perché possono portare via rapidamente il calore e scambiarlo con l’ambiente. Il valore più alto di k per qualsiasi sostanza naturale è il diamante a 2.200 W·m * K.
Altri materiali sono utili perché sono conduttori di calore estremamente poveri; questa proprietà è indicata come resistenza termica, o valore R, che descrive la velocità con cui il calore viene trasmesso attraverso il materiale. Questi materiali, come lana di roccia, piuma d’oca e polistirolo, vengono utilizzati per l’isolamento in pareti esterne di edifici, cappotti invernali e tazze da caffè termiche. Il valore R è espresso in unità di piedi quadrati volte gradi Fahrenheit volte ore per unità termica britannica (ft2 * °F * h / Btu) per una lastra spessa 1 pollice.
La legge del raffreddamento di Newton
Nel 1701, Sir Isaac Newton affermò per la prima volta la sua Legge del raffreddamento in un breve articolo intitolato “Scala graduum Caloris” (“Una scala dei gradi di calore”) nelle Transazioni filosofiche della Royal Society. L’affermazione della legge di Newton si traduce dal latino originale come ” l’eccesso dei gradi del calore … erano in progressione geometrica quando i tempi sono in progressione aritmetica.”Worcester Polytechnic Institute fornisce una versione più moderna della legge come” il tasso di variazione della temperatura è proporzionale alla differenza tra la temperatura dell’oggetto e quella dell’ambiente circostante.”
Ciò si traduce in un decadimento esponenziale della differenza di temperatura. Ad esempio, se un oggetto caldo viene posto in un bagno freddo, entro un certo periodo di tempo, la differenza nelle loro temperature diminuirà della metà. Quindi nello stesso periodo di tempo, la differenza rimanente diminuirà di nuovo della metà. Questo dimezzamento ripetuto della differenza di temperatura continuerà a intervalli di tempo uguali fino a quando non diventa troppo piccolo per misurare.
Trasferimento di calore
Il calore può essere trasferito da un corpo all’altro o tra un corpo e l’ambiente con tre diversi mezzi: conduzione, convezione e radiazione. La conduzione è il trasferimento di energia attraverso un materiale solido. La conduzione tra i corpi si verifica quando sono in contatto diretto e le molecole trasferiscono la loro energia attraverso l’interfaccia.
La convezione è il trasferimento di calore da o verso un mezzo fluido. Le molecole in un gas o liquido a contatto con un corpo solido trasmettono o assorbono calore da o verso quel corpo e quindi si allontanano, consentendo ad altre molecole di spostarsi e ripetere il processo. L’efficienza può essere migliorata aumentando la superficie da riscaldare o raffreddare, come con un radiatore, e costringendo il fluido a spostarsi sulla superficie, come con un ventilatore.
La radiazione è l’emissione di energia elettromagnetica (EM), in particolare i fotoni infrarossi che trasportano energia termica. Tutta la materia emette e assorbe alcune radiazioni EM, la cui quantità netta determina se ciò causa una perdita o un guadagno di calore.
Il ciclo di Carnot
Nel 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propose un modello per un motore termico basato su quello che è diventato noto come il ciclo di Carnot. Il ciclo sfrutta le relazioni tra pressione, volume e temperatura dei gas e come un input di energia può cambiare forma e funzionare al di fuori del sistema.
La compressione di un gas aumenta la sua temperatura in modo che diventi più caldo del suo ambiente. Il calore può quindi essere rimosso dal gas caldo utilizzando uno scambiatore di calore. Quindi, permettendogli di espandersi lo fa raffreddare. Questo è il principio alla base delle pompe di calore utilizzate per il riscaldamento, il condizionamento e la refrigerazione.
Al contrario, il riscaldamento di un gas aumenta la sua pressione, causandone l’espansione. La pressione espansiva può quindi essere utilizzata per azionare un pistone, convertendo così l’energia termica in energia cinetica. Questo è il principio di base dietro i motori termici.
Entropia
Tutti i sistemi termodinamici generano calore residuo. Questo spreco si traduce in un aumento dell’entropia, che per un sistema chiuso è “una misura quantitativa della quantità di energia termica non disponibile per lavorare”, secondo l’American Heritage Dictionary. L’entropia in qualsiasi sistema chiuso aumenta sempre; non diminuisce mai. Inoltre, le parti in movimento producono calore residuo a causa dell’attrito e il calore radiativo perde inevitabilmente dal sistema.
Ciò rende impossibili le cosiddette macchine a moto perpetuo. Siabal Mitra, professore di fisica alla Missouri State University, spiega: “Non è possibile costruire un motore efficiente al 100%, il che significa che non è possibile costruire una macchina a moto perpetuo. Tuttavia, ci sono un sacco di gente là fuori che ancora non ci credono, e ci sono persone che stanno ancora cercando di costruire macchine a moto perpetuo.”
L’entropia è anche definita come “una misura del disturbo o della casualità in un sistema chiuso”, che aumenta anche inesorabilmente. Puoi mescolare acqua calda e fredda, ma poiché una grande tazza di acqua calda è più disordinata di due tazze più piccole contenenti acqua calda e fredda, non puoi mai separarla di nuovo in caldo e freddo senza aggiungere energia al sistema. In altre parole, non è possibile decodificare un uovo o rimuovere la crema dal caffè. Mentre alcuni processi sembrano essere completamente reversibili, in pratica, nessuno lo è in realtà. L’entropia, quindi, ci fornisce una freccia del tempo: forward è la direzione di aumentare l’entropia.
Le quattro leggi della termodinamica
I principi fondamentali della termodinamica erano originariamente espressi in tre leggi. In seguito, fu stabilito che una legge più fondamentale era stata trascurata, apparentemente perché era sembrata così ovvia che non aveva bisogno di essere dichiarata esplicitamente. Per formare un insieme completo di regole, gli scienziati hanno deciso che questa legge fondamentale doveva essere inclusa. Il problema, però, era che le prime tre leggi erano già state stabilite ed erano ben note dai loro numeri assegnati. Di fronte alla prospettiva di rinumerare le leggi esistenti, che causerebbero una notevole confusione, o di porre la legge preminente alla fine dell’elenco, che non avrebbe alcun senso logico, un fisico britannico, Ralph H. Fowler, escogitò un’alternativa che risolvesse il dilemma: chiamò la nuova legge la “Legge Zeroth.”In breve, queste leggi sono:
La Legge Zeroth afferma che se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo, allora sono anche in equilibrio l’uno con l’altro. Questo stabilisce la temperatura come proprietà fondamentale e misurabile della materia.
La Prima Legge stabilisce che l’aumento totale dell’energia di un sistema è uguale all’aumento dell’energia termica più il lavoro svolto sul sistema. Questo afferma che il calore è una forma di energia ed è quindi soggetto al principio di conservazione.
La Seconda legge stabilisce che l’energia termica non può essere trasferita da un corpo a una temperatura più bassa a un corpo a una temperatura più alta senza l’aggiunta di energia. Questo è il motivo per cui costa denaro per eseguire un condizionatore d’aria.
La Terza Legge afferma che l’entropia di un cristallo puro allo zero assoluto è zero. Come spiegato sopra, l’entropia è talvolta chiamata “energia di scarto”, cioè energia che non è in grado di funzionare, e poiché non c’è energia termica a zero assoluto, non ci può essere energia di scarto. L’entropia è anche una misura del disturbo in un sistema, e mentre un cristallo perfetto è per definizione perfettamente ordinato, qualsiasi valore positivo della temperatura significa che c’è movimento all’interno del cristallo, che causa disordine. Per questi motivi, non ci può essere un sistema fisico con entropia inferiore, quindi l’entropia ha sempre un valore positivo.
La scienza della termodinamica è stata sviluppata nel corso dei secoli e i suoi principi si applicano a quasi tutti i dispositivi mai inventati. La sua importanza nella tecnologia moderna non può essere sopravvalutata.
Risorse aggiuntive
- Alcune delle più grandi menti della storia della scienza hanno contribuito allo sviluppo della termodinamica. Un elenco di pionieri importanti nel campo può essere trovato sul sito web dell’Università di Waterloo.
- Energy Education è un supplemento di curriculum interattivo per studenti di scienze della scuola secondaria.
- World of Science di Eric Weisstein contiene enciclopedie di astronomia, biografia scientifica, chimica e fisica.
Notizie recenti