Leggi e cicli
Padroneggia le quattro leggi, la legge dei gas ideali (PV = nRT), le modalità di trasferimento del calore e la formula dell'efficienza di Carnot.
Termodinamica
Le quattro leggi della termodinamica, dell'entropia, dei motori termici e della meccanica statistica: la fisica della conversione e del disordine dell'energia.
Panoramica
La termodinamica descrive come l'energia viene immagazzinata, trasferita e convertita tra calore e lavoro. Governa tutto, dai motori a vapore e dai frigoriferi all’efficienza metabolica delle cellule e al destino ultimo dell’universo. La termodinamica classica utilizza variabili macroscopiche (temperatura, pressione, volume, entropia), mentre la meccanica statistica le deriva da probabilità a livello atomico.
Le quattro leggi
Legge Zero – Temperatura
Se i sistemi A e B sono ciascuno in equilibrio termico con C, allora A e B sono in equilibrio tra loro. Questa legge definisce la temperatura come una relazione di equivalenza e giustifica l'uso dei termometri.
Prima Legge: Conservazione dell'Energia
L'energia non può essere creata o distrutta: ΔU = Q − W, dove ΔU è la variazione dell'energia interna, Q è il calore aggiunto al sistema e W è il lavoro svolto dal sistema. La prima legge è la contabilità energetica dei processi termodinamici.
Seconda Legge: Entropia
L'entropia di un sistema isolato non diminuisce mai spontaneamente. Il calore passa spontaneamente dal caldo al freddo e non viceversa. La seconda legge stabilisce la direzione del tempo e limita l’efficienza di tutti i motori termici. Clausius lo stabilì come: dS ≥ δQ/T, con uguaglianza per i processi reversibili.
Terza Legge: Zero Assoluto
Quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto (0 K), l'entropia di un cristallo perfetto si avvicina allo zero. Ciò rende impossibile raggiungere lo zero assoluto in un numero finito di passi.
Entropia e la freccia del tempo
Entropia S = k_B ln Ω, dove Ω è il numero di microstati compatibili con un macrostato e k_B è la costante di Boltzmann. La seconda legge deriva dalla probabilità: gli stati ad alta entropia hanno un numero enormemente maggiore di microstati rispetto a quelli a bassa entropia, quindi i sistemi si evolvono naturalmente verso di essi.
Macchine termiche e ciclo di Carnot
Il ciclo di Carnot è il motore termico teoricamente più efficiente: due passaggi isotermici e due adiabatici. La sua efficienza η_Carnot = 1 − T_C/T_H dipende solo dalla temperatura dei serbatoi caldo (T_H) e freddo (T_C), non dal fluido di lavoro. I motori reali (Otto, Diesel, Rankine) sono sempre meno efficienti a causa dell'attrito, della perdita di calore e dell'irreversibilità.
Meccanica statistica
La meccanica statistica collega il microscopico (atomi) e il macroscopico (variabili termodinamiche). La distribuzione di Boltzmann P(E) ∝ e^(−E/k_BT) dà la probabilità di uno stato con energia E alla temperatura T. Da ciò seguono tutte le quantità termodinamiche: la funzione di partizione Z codifica tutto ciò che riguarda un sistema in equilibrio.
Percorsi di apprendimento
Entropia ed energia libera
Studia i cambiamenti di entropia nei processi irreversibili, l'energia libera di Gibbs e Helmholtz, le transizioni di fase e il potenziale chimico.
Meccanica statistica
Distribuzione di Boltzmann, funzioni di partizione, statistica quantistica (Bose-Einstein e Fermi-Dirac) e transizioni di fase.
Articoli chiave
Seconda Legge della Termodinamica
Un trattamento approfondito dell'entropia, dell'irreversibilità e della freccia del tempo.
Leggi →Il demone di Maxwell
L'esperimento mentale che collega la teoria dell'informazione alla termodinamica.
Leggi →Calore specifico dei solidi
Modelli di Einstein e Debye: effetti quantistici sulla capacità termica.
Leggi →Moto browniano
L'articolo di Einstein del 1905 che collega le fluttuazioni termiche alla realtà atomica.
Leggi →L'equazione di Langevin
Dinamica stocastica: modellazione delle particelle in un bagno termale.
Leggi →Cervelli di Boltzmann
Un esperimento mentale sull'entropia, la cosmologia e il lontano futuro dell'universo.
Leggi →Domande frequenti
Cos’è l’entropia e perché aumenta?
L’entropia conta i microstati. Gli stati ad alta entropia sono più probabili, quindi i sistemi isolati si evolvono naturalmente verso di essi: la seconda legge deriva dalla statistica, non dalla nuova fisica.
Qual è l'efficienza di Carnot?
η = 1 − T_fredda/T_calda. È la massima efficienza possibile per qualsiasi motore termico tra due serbatoi di temperatura. I motori reali sono sempre meno efficienti.
Qual è la legge zero?
Se A è in equilibrio con C e B è in equilibrio con C, allora A e B sono in equilibrio. Ciò definisce la temperatura come una proprietà transitiva.
Qual è la differenza tra calore e temperatura?
La temperatura è l'energia media per grado di libertà (intensiva). Il calore è il trasferimento di energia termica dovuto ad una differenza di temperatura (energia in transito).