Che cos’è la termodinamica?

La termodinamica è la branca della fisica che si occupa delle relazioni tra il calore e altre forme di energia. In particolare, descrive come l’energia termica si converte in e da altre forme di energia e come influenza la 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 in vibrazione, secondo il sito web 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 … sono costituiti da un numero molto grande di atomi o molecole che interagiscono in modi complicati. Ma, se questi sistemi soddisfano i giusti criteri, che noi chiamiamo equilibrio, possono essere descritti con un numero molto piccolo di misure 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, si occupa di diverse proprietà della materia; la prima tra queste è il calore. Il calore è l’energia trasferita tra sostanze o sistemi a causa di una differenza di temperatura tra loro, secondo Energy Education. Come forma di energia, il calore si conserva, cioè non può essere creato o distrutto. Tuttavia, può essere trasferito da un luogo all’altro. Il calore può anche essere convertito in e da altre forme di energia. Per 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 viene assorbita da una superficie, viene riconvertita in calore.

Temperatura

La quantità di calore trasferita da una sostanza dipende dalla velocità e dal numero di atomi o molecole in movimento, secondo Energy Education. Più velocemente gli atomi o le molecole si muovono, più alta è la temperatura, e più atomi o molecole 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 usata è quella Celsius, che si basa sui punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua, assegnando i rispettivi valori di 0 gradi C e 100 gradi C. La scala Fahrenheit si basa anch’essa 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 usa lo stesso incremento della scala Celsius, cioè una variazione di temperatura di 1 C è uguale a 1 K. Tuttavia, la scala Kelvin parte dallo 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 di una certa quantità è chiamata calore specifico, o capacità termica specifica, secondo Wolfram Research. L’unità convenzionale per questo è la caloria 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. Per 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 di 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 “il tasso al quale il calore passa attraverso un materiale specificato, espresso 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 il Dizionario Oxford. L’unità per k è watt (W) per metro (m) per kelvin (K). I valori di k per metalli come il rame e l’argento sono relativamente alti, rispettivamente 401 e 428 W/m-K. Questa proprietà rende questi materiali utili per i radiatori delle automobili e le alette di raffreddamento per i chip dei computer perché possono portare via il calore rapidamente e scambiarlo con l’ambiente. Il valore più alto di k per qualsiasi sostanza naturale è il diamante con 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 la lana di roccia, la piuma d’oca e lo Styrofoam, sono usati per l’isolamento nelle pareti esterne degli edifici, nei cappotti invernali e nelle tazze di caffè termiche. Il valore R è dato in unità di piedi quadrati per gradi Fahrenheit per ore per unità termica britannica (ft2-°F-h/Btu) per una lastra di un pollice di spessore.

La legge di Newton sul raffreddamento

Nel 1701, Sir Isaac Newton dichiarò per la prima volta la sua legge sul raffreddamento in un breve articolo intitolato “Scala graduum Caloris” (“Una scala dei gradi di calore”) nelle Philosophical Transactions della Royal Society. La dichiarazione di Newton della legge si traduce dall’originale latino come, “l’eccesso dei gradi del calore … erano in progressione geometrica quando i tempi sono in una progressione aritmetica.” Il Worcester Polytechnic Institute dà una versione più moderna della legge come “il tasso di cambiamento della temperatura è proporzionale alla differenza tra la temperatura dell’oggetto e quella dell’ambiente circostante.”

Questo risulta in un decadimento esponenziale della differenza di temperatura. Per esempio, se un oggetto caldo viene messo in un bagno freddo, entro un certo periodo di tempo, la differenza delle loro temperature diminuirà della metà. Poi, nello stesso lasso di tempo, la differenza rimanente diminuirà di nuovo della metà. Questo ripetuto dimezzamento della differenza di temperatura continuerà ad intervalli di tempo uguali fino a quando non diventerà troppo piccolo da misurare.

Trasferimento di calore

Il calore può essere trasferito da un corpo ad un altro o tra un corpo e l’ambiente con tre mezzi diversi: conduzione, convezione e radiazione. La conduzione è il trasferimento di energia attraverso un materiale solido. La conduzione tra 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 verso o da un mezzo fluido. Le molecole in un gas o in un liquido a contatto con un corpo solido trasmettono o assorbono il calore da o verso quel corpo e poi si allontanano, permettendo ad altre molecole di spostarsi al loro posto e ripetere il processo. L’efficienza può essere migliorata aumentando la superficie da riscaldare o raffreddare, come con un radiatore, e forzando il fluido a muoversi sulla superficie, come con una ventola.

La radiazione è l’emissione di energia elettromagnetica (EM), in particolare fotoni infrarossi che trasportano energia termica. Tutta la materia emette e assorbe qualche radiazione EM, la cui quantità netta determina se questa causa una perdita o un guadagno di calore.

Il ciclo di Carnot

Nel 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propose un modello di motore termico basato su quello che è diventato noto come 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 fare lavoro all’esterno del sistema.

Comprimere un gas aumenta la sua temperatura in modo che diventi più caldo del suo ambiente. Il calore può quindi essere rimosso dal gas caldo usando uno scambiatore di calore. Poi, lasciandolo espandere, lo si fa raffreddare. Questo è il principio di base delle pompe di calore usate per il riscaldamento, l’aria condizionata e la refrigerazione.

Inversamente, riscaldare un gas aumenta la sua pressione, facendolo espandere. La pressione espansiva può quindi essere usata per guidare un pistone, convertendo così l’energia termica in energia cinetica. Questo è il principio di base dei motori termici.

Entropia

Tutti i sistemi termodinamici generano calore di scarto. 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 fare lavoro”, secondo l’American Heritage Dictionary. L’entropia in qualsiasi sistema chiuso aumenta sempre; non diminuisce mai. Inoltre, le parti in movimento producono calore di scarto a causa dell’attrito, e il calore radiativo fuoriesce inevitabilmente dal sistema.

Questo rende le cosiddette macchine a moto perpetuo impossibili. Siabal Mitra, professore di fisica alla Missouri State University, spiega: “Non si può costruire un motore che sia efficiente al 100%, il che significa che non si può costruire una macchina a moto perpetuo. Tuttavia, c’è un sacco di gente là fuori che ancora non ci crede, e ci sono persone che stanno ancora cercando di costruire macchine a moto perpetuo.”

L’entropia è anche definita come “una misura del disordine o della casualità in un sistema chiuso”, che aumenta inesorabilmente. Si può 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 si può mai separarla di nuovo in calda e fredda senza aggiungere energia al sistema. Detto in un altro modo, non si può sbrogliare un uovo o rimuovere la panna dal caffè. Mentre alcuni processi sembrano essere completamente reversibili, in pratica, nessuno lo è veramente. L’entropia, quindi, ci fornisce una freccia del tempo: in avanti è la direzione dell’entropia crescente.

Le quattro leggi della termodinamica

I principi fondamentali della termodinamica erano originariamente espressi in tre leggi. Più tardi, fu stabilito che una legge più fondamentale era stata trascurata, apparentemente perché era sembrata così ovvia da non aver bisogno di essere dichiarata esplicitamente. Per formare un insieme completo di regole, gli scienziati decisero che questa legge più fondamentale doveva essere inclusa. Il problema, però, era che le prime tre leggi erano già state stabilite ed erano ben note con i loro numeri assegnati. Di fronte alla prospettiva di rinumerare le leggi esistenti, che avrebbe causato una notevole confusione, o di mettere la legge preminente alla fine della lista, che non avrebbe avuto alcun senso logico, un fisico britannico, Ralph H. Fowler, se ne uscì con un’alternativa che risolse 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 tra loro. Questo stabilisce la temperatura come una proprietà fondamentale e misurabile della materia.

La Prima Legge afferma che l’aumento totale dell’energia di un sistema è uguale all’aumento dell’energia termica più il lavoro fatto sul sistema. Questo afferma che il calore è una forma di energia ed è quindi soggetto al principio di conservazione.

La Seconda Legge afferma che l’energia termica non può essere trasferita da un corpo a temperatura inferiore a un corpo a temperatura superiore senza l’aggiunta di energia. Questo è il motivo per cui costa far funzionare 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 a volte chiamata “energia di scarto”, cioè l’energia che non è in grado di fare lavoro, e poiché non c’è alcun tipo di energia termica allo zero assoluto, non può esserci energia di scarto. L’entropia è anche una misura del disordine 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 queste ragioni, non può esistere un sistema fisico con un’entropia più bassa, quindi l’entropia ha sempre un valore positivo.

La scienza della termodinamica è stata sviluppata per 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. Una lista di pionieri notevoli nel campo può essere trovata sul sito web dell’Università di Waterloo.
• Energy Education è un supplemento interattivo per il curriculum per gli studenti di scienze della scuola secondaria.
• Eric Weisstein’s World of Science contiene enciclopedie di astronomia, biografia scientifica, chimica e fisica.