La prima legge della termodinamica: che cos’è?

La prima legge della termodinamica ci dice che la quantità di energia nell'universo è costante e non può essere né distrutta né creata.

L'evoluzione dell'universo riguarda quindi una costante trasformazione dell'energia da una forma all'altra. Ma non importa quante stelle e pianeti crei l'universo, quante civiltà sorgono su questi pianeti, ci sarà sempre la stessa quantità di energia che c'era un secondo dopo il Big Bang .

La trasformazione dell'energia è ciò che fa funzionare il nostro mondo. Gli esseri umani e gli animali trasformano l'energia chimica del cibo che mangiano nell'energia cinetica del loro movimento e azione e nell'energia dei processi chimici nelle loro cellule. Le piante verdi assorbono energia dal sole e la trasformano in energia chimica sotto forma di ossigeno e zuccheri che costruiscono i loro tessuti in un processo noto come fotosintesi . Le centrali solari utilizzano la stessa luce solare per produrre elettricità. Il sole che ci tiene tutti in vita brucia idrogeno nel suo nucleo per produrre la luce e il calore di cui abbiamo bisogno, dissipando la sua energia lentamente e gradualmente nella rete circostante.

Storia del primo principio della termodinamica

La prima legge della termodinamica, tuttavia, non è emersa dallo studio dell'universo, ma dagli sforzi degli scienziati del XVII e XVIII secolo per comprendere la natura del calore, secondo il fisico Stephen Wolfram (si apre in una nuova scheda). Sono state avanzate varie idee, incluso che il calore potrebbe essere una sostanza simile a un fluido o il risultato di particelle microscopiche che costituiscono la materia che vediamo. All'inizio del 19° secolo, gli scienziati si stabilirono sulla comprensione che il calore è una forma di energia.

A quel tempo, il motore a vapore (si apre in una nuova scheda) era una nuova tecnologia calda, che si basava sul calore per trasformare l'acqua in vapore che poteva quindi mettere in moto complessi congegni meccanici in grado di svolgere tutti i tipi di compiti, dalla propulsione delle locomotive all'alimentazione della fabbrica attrezzatura. Molti cervelli dotati dell'epoca, quindi, si sono dati da fare con la domanda su come rendere più efficiente questa tecnologia dipendente dal calore.

La prima persona a gettare le basi per quella che sarebbe poi diventata la prima legge della termodinamica è stato il fisico tedesco Rudolf Clausius, secondo la St. Andrews University. (si apre in una nuova scheda) Nel 1850 Clausius pubblicò un articolo che lo avrebbe reso famoso. Il nome del giornale è un po' boccone: " Sulla forza motrice del calore e le leggi del calore che se ne possono dedurre".

In questo articolo Clausius affermava che "in tutti i casi in cui il lavoro è prodotto dall'agenzia del calore, si consuma una quantità di calore che è proporzionale al lavoro svolto; e viceversa, per la spesa di una uguale quantità di lavoro un eguale viene prodotta una quantità di calore".

La macchina a vapore e il primo principio della termodinamica

Ma cosa significa esattamente l'affermazione di Clausius? Diamo un'occhiata al buon vecchio motore a vapore.

Un motore a vapore è costituito da una camera con un pistone mobile. La camera può contenere acqua o del gas. Quando la camera viene riscaldata utilizzando una fonte di calore esterna, il gas all'interno si espande (l'acqua si trasforma in vapore), l'aumento del calore provoca una maggiore espansione del gas, che quindi fa muovere il pistone. Il pistone all'esterno del motore produce quindi un lavoro utile (come mettere in moto le ruote di una locomotiva).

Al contrario, applicando una forza esterna sul pistone, si può comprimere il gas all'interno, provocandone il riscaldamento. In entrambi i casi, la quantità di calore utilizzata o generata sarebbe uguale alla quantità di lavoro applicata o consegnata. L'energia totale del motore e dell'ambiente circostante rimarrà costante.

La prima legge della termodinamica può essere catturata dalla seguente equazione: U = QW , dove U è la variazione dell'energia interna, Q è il calore aggiunto al sistema e W è il lavoro svolto dal sistema.

L'energia totale del sistema è uguale al calore fornito meno la quantità di lavoro svolto. Lavoro e calore sono i processi che aggiungono o sottraggono energia.

Termodinamica e ruolo del calore

La disciplina nata dalle opere di Clausius e di altri fisici di quest'epoca, tra cui il britannico William Thomson (in seguito noto come il primo barone Kelvin) e il francese Sadi Carnot, divenne nota come termodinamica. Il calore gioca un ruolo centrale nella termodinamica, agendo come la forza che trasforma l'energia dalla sua forma grezza (si pensi al carbone, per esempio) in un vero e proprio lavoro meccanico (il movimento di una locomotiva).

La termodinamica studia non solo la relazione tra calore e lavoro meccanico, ma anche il ruolo della temperatura, del volume e della pressione nello scambio di energia.

Un sistema termodinamico ha la sua entalpia, che è la somma della sua energia interna combinata con gli effetti della sua pressione e del suo volume, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda).

L' entropia (si apre in una nuova scheda) è la misura della capacità del sistema di eseguire il lavoro, in base al suo ordine. In sostanza, i sistemi differiscono per la quantità di lavoro che possono svolgere per unità di energia termica a seconda di come sono organizzati.

La cosiddetta energia libera di Helmholtz di un sistema termodinamico descrive quanto lavoro "utile" può produrre un sistema termodinamico chiuso a temperatura e volume costanti.

L'energia libera di Gibbs, invece, descrive il massimo lavoro reversibile che può essere svolto da un sistema termodinamico a temperatura e pressione costanti.

Queste quattro qualità più l'energia sono usate per descrivere le proprietà di tutti i sistemi termodinamici.

Sistemi termodinamici

Esistono tre tipi di sistemi in termodinamica. (Credito immagine: immagini Getty)

Esistono tre tipi di sistemi in termodinamica: chiusi, isolati e aperti.

I sistemi isolati essenzialmente non esistono. L'unico sistema veramente isolato è l'universo stesso.

I sistemi chiusi intendono essere il più possibile isolati dall'ambiente circostante e scambiare solo energia, ma non materia, con l'ambiente circostante. Un motore a vapore sarebbe un sistema chiuso, ma lo sarebbe anche una fiaschetta termica di raffreddamento con il tè o una stella nana bianca che perde gradualmente calore nel vuoto di questa ragnatela.

Tutti gli organismi viventi sono sistemi aperti, che scambiano sia energia (calore) che materia (cibo, sudore, aria) con il loro ambiente.

Risorse addizionali

Maggiori informazioni sulla prima legge della termodinamica sul nostro sito web gemello Live Science . Oppure guarda questo divertente video della Royal Institution. Esplora tutte e tre le leggi della termodinamica con il sito web didattico Lumen Learning .

Bibliografia

Smith, CW, William Thomson e la creazione della termodinamica: 1840-1855, Storia delle scienze esatte, Springer, 1977
https://www.jstor.org/stable/41133471

Hareesh, T. et al., First law of thermodynamics and emergence of cosmic This Web in a non flat universe, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, dicembre 2019 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475- 7516/2019/12/024

Zohuri, B., Prima legge della termodinamica, chimica fisica, 2017 https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/first-law-of-thermodynamics

Britannica, La prima legge della termodinamica https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-second-law-of-thermodynamics

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