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Un sistema termodinamico è un sistema soggetto a meccanismi e trasformazioni termodinamiche.

E’ un sistema macroscopico costituito da un numero incredibile di costituenti microscopici: gli atomi e/o le molecole. Può essere in diversi stati di aggregazione: fase liquida, solida o aeriforme (gas). Un esempio di sistema termodinamico è l’acqua (per la pasta) in ebollizione all’interno di una pentola, su un fornello acceso. Se ne può misurare la temperatura, la pressione esercitata dall’ambiente circostante sull’acqua, la quantità di calore che il fuoco acceso trasferisce all’acqua nell’unità di tempo. Un altro sistema possono essere le pastiglie dei freni di un’auto o un cubetto di ghiaccio che si scioglie all’interno di un bicchiere d’acqua.

Le grandezze termodinamiche sono grandezze fisiche che descrivono il sistema

Definizioni

Si definisce ambiente la parte del mondo fisico che circonda il sistema termodinamico oggetto di osservazione e con il quale il sistema può scambiare materia oppure energia.

Si definisce sorgente (di calore o in generale di energia) un oggetto/sistema fisico in grado di fornire (o assorbire) energia sotto forma di calore, radiazione elettromagnetica o altro, senza che vari nel tempo il loro stato termodinamico. Il sole è una sorgente perché propaga energia attraverso l’ambiente circostante mantenendo inalterata la sua temperatura, le sue dimensioni fisiche ecc… in tempi confrontabili con l’osservazione umana. Un iceberg si comporta come una sorgente “fredda” a temperatura costante T = 0°C, assorbendo calore da tutti i corpi a temperatura T > 0°C.

Un sistema è aperto quando può scambiare con l’ambiente sia energia che materia. L’acqua che bolle sul gas, se non è coperta da un coperchio, è un sistema aperto perchè assorbe energia sotto forma di calore e disperde sia calore sia materia sotto forma di vapore acqueo.

Un sistema è chiuso quando non può scambiare materia con il sistema circostante ma può scambiare energia (sotto forma di calore o per irraggiamento). Una pentola sigillata sul fuoco o un contenitore sigillato in un forno microonde sono sistemi chiusi che però possono scambiare calore (energia) con l’ambiente circostante. La terra si può pensare come ad un sistema chiuso nel senso che non scambia materia con l’universo circostante, ma assorbe energia emessa dal sole sotto forma di onde elettromagnetiche.

Un sistema è isolato quando non può scambiare ne’ materia ne’ energia con l’ambiente. Questo avviene per esempio se il sistema è inserito in un contenitore perfettamente sigillato e di materiale isolante.

Una parete si dice adiabatica se non permettono scambi di calore attraverso la parete stessa.

Una parete si dice diaterma se impedisce il passaggio di materia ma consente gli scambi di calore. Nella realtà sono costitute da materiali che si comportano da buoni conduttori (di calore o elettricità) come i metalli (rame, oro, argento..).

GRANDEZZE TERMODINAMICHE

Ad ogni sistema termodinamico possiamo associare alcune grandezze (osservabili) fisiche misurabili che ne consentono una descrizione quantitativa.

Queste osservabili vanno sotto il nome di grandezze (o variabili) termodinamiche oppure parametri termodinamici.

Tali grandezze si distinguono in:

• Intensive: pressione (p), temperatura (T), densità (ρ), ecc.. Sono grandezze locali che sono associabili a ciascun punto dello spazio occupato dal sistema.
• Estensive: volume (V), massa (m), ecc.. Sono grandezze integrali, ossia associate al sistema termodinamico nel suo insieme. In particolare si dice che tali grandezze descrivono lo “stato” del sistema termodinamico, ossia ne descrivono una fotografia in un determinato istante.

Questi erano i sistemi e le grandezze termidnamiche
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La termodinamica studia lo scambio di energia in reazioni chimiche (esotermiche o endotermiche) e i passaggi di stato.

PRIMO PRINCIPIO

L’ENERGIA PUO’ ESSERE CONVERTITA DA UNA FORMA IN UN’ALTRA, MA NON PUO’ ESSERE NE’ CREATA NE’ DISTRUTTA.

ΔE_sist= Q_V+ L  

Ne deriva che l’energia dell’universo e’ costante: ΔE= ΔEsist+ ΔEamb = 0

• Se il sistema perde energia l’ambiente l’acquista.
• Per scambiare energia con l’ambiente il sistema deve essere chiuso (non isolato).
• I mezzi con cui il sistema scambia energia con l’ambiente sono calore Q (se c’è ΔT fra sistema e ambiente) e lavoro L (espansione o compressione)
• L’energia di un sistema è l’energia interna (E). Calore e lavoro esistono solo durante lo scambio.

SCAMBIO DI CALORE A VOLUME COSTANTE (ΔV = 0)

Dato che L = PΔV e ΔV = 0 non viene fatto lavoro.

Il primo principio a volume costante diventa:

ΔE_sist= Q

Tutta l’energia fornita sotto forma di calore va ad aumentare l’energia interna del sistema. Il calore scambiato a volume costante coincide con la variazione di energia del sistema.

SCAMBIO DI CALORE A PRESSIONE COSTANTE (ΔP = 0)

Dato che L = PΔV ≠ 0, viene compiuto lavoro

Sapendo che L = -PΔV  (il segno meno viene messo per convenzione) si ha:

• Espansione se ΔV=V2–V1 > 0. Dunque L= PΔV = -L, cioè il sistema fa lavoro sull’ambiente.
• Compressione se ΔV=V2–V1 < 0. Dunque L=-PΔV = L, cioè l’ambiente fa lavoro sul sistema.

Il primo principio a pressione costante diventa:

ΔE_sist = Q-PΔV

Ne deriva che:

Q = ΔE + PΔV = (E2–E1) + P(V2–V1) = (E2+ PV2) –(E1+ PV1)

Ponendo E + PV = H = entalpia si ha:

Q = H2–H1= ΔH = calore scambiato a pressione costante

Il calore scambiato a pressione costante coincide con la variazione di entalpia.

ΔH>0, il sistema assorbe calore (Reazione endodermica)                     

ΔH<0, il sistema cede calore (Reazione esotermica)

SECONDO PRINCIPIO

LA MATERIA TENDE A DIVENTARE PIU’ DISORDINATA (NEL SISTEMA) E L’ENERGIA TENDE A DISPERDERSI SU UN MAGGIOR NUMERO DI PARTICELLE (NELL’AMBIENTE).

Una trasformazione avviene spontaneamente verso una situazione finale in cui è maggiore il disordine. Lo stato di disordine è il più probabile.

Lo stato iniziale evolve verso lo stato finale solo se la variazione di entropia dell’universo è maggiore di 0

Per capire se un processo è spontaneo bisogna capire se la situazione finale è più probabile della condizione finale.

TERZO PRINCIPIO

Ogni sistema ha un suo contenuto di disordine (detto ENTROPIA)

UN CRISTALLO PERFETTO ALLO ZERO ASSOLUTO HA ENTROPIA S UGUALE A ZERO

Ogni specie chimica ha un’entropia finita e positiva, funzione crescente della temperatura. Aumentando T aumenta l’agitazione termica (moti rotazionali, traslazionali, vibrazionali) quindi aumenta il n° di microstati, aumenta S e il campione si disordina.

I PROCESSI DISORDINANTI sono trasformazioni che portano ad un aumento di entropia del sistema (ΔS sistema> 0)

Esempi di processi disordinanti sono:

• Tutte le trasformazioni in cui le moli di gas aumentano passando da reagenti a prodotti
• I processi di fusione, evaporazione e sublimazione

I PROCESSI ORDINANTI sono trasformazioni che portano ad una diminuzione di entropia del sistema (ΔS sistema < 0)

Esempi di processi ordinanti sono:

• Tutte le trasformazioni in cui le moli di gas diminuiscono passando da reagenti a prodotti.

Questa era la termodinamica;)
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