Principi della termodinamica
I quattro principi della termodinamica sono delle leggi universali su cui si fonda la termodinamica.
Cosa devo già sapere?
Principio zero
In termodinamica, non si comincia dal primo principio, ma dal principio zero.
Come mai gli scienziati non hanno deciso di iniziare a contare da uno, come si usa solitamente?
Perché si resero conto dell'esistenza di questo principio solo dopo aver formulato gli altri tre. Quindi ormai il primo posto era occupato. Si trattava però di una regola così fondamentale che non potevano dargli il quarto posto: doveva stare davanti agli altri tre.
Per questo hanno deciso di metterlo davanti a tutti chiamandolo "principio zero della termodinamica".
Cosa ci dice, quindi, questo principio?
In parole semplici, ci permette di definire che cosa sono la temperatura e l'equilibrio termico.
Esso infatti enuncia che:
Se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo C e anche un altro corpo B è in equilibrio termico con C, allora A e B sono in equilibrio termico tra loro.
Questi tre corpi dovranno avere una grandezza fisica uguale per tutti, che chiamiamo temperatura.
Quindi se prendiamo due corpi con la stessa temperatura e li mettiamo a contatto, non succede niente sia a livello macroscopico che a livello microscopico (mentre se non lo fossero ci sarebbero scambi di calore).
Lo strumento di misura della temperatura è il termometro. Molti modelli sfruttano proprio il principio zero della termodinamica: mettendolo a contatto con il corpo, man mano che si raggiunge l'equilibrio termico, il termometro raggiunge la stessa temperatura del corpo in questione e sfrutta la dilatazione termica di alcuni materiali, come il mercurio, per misurarla.
Primo principio
Il primo principio della termodinamica è senza dubbio il più famoso tra i quattro. Anzi, probabilmente è uno dei principi più famosi in assoluto.
Esso infatti afferma che:
L'energia interna di un sistema termodinamico isolato è costante
In parole più semplici, ci sta dicendo che l'energia si conserva. E' infatti il principio dal quale deriva la famosa frase "Nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma".
Siccome l'universo è un sistema chiuso (o almeno è quello che crediamo), questo significa che l'energia totale dell'universo rimane costante. Non puoi crearne di nuova, nè distruggerne una parte, ma puoi solo fargli cambiare forma.
In formule, quello che ci sta dicendo è che la differenza tra il calore assorbito e il lavoro compiuto è uguale alla variazione di energia interna:
\Delta U = Q - L
Se infatti cedo, per esempio, 3J di energia ad un corpo tramite calore, ma quello fa un lavoro di solo 2J, non significa che è appena scomparso un Joule di energia, ma che il corpo lo ha trattenuto facendo aumentare la sua energia inerna (per esempio riscaldandosi).
Questo ci dice anche che tutti i video online di gente che afferma di aver creato delle macchine di moto perpetuo o in generale macchinari che generano energia infinita dal niente, sono finti e ci stanno prendendo in giro.
Secondo principio
Il secondo principio della dinamica è decisamente meno famoso del primo, ma rimane comunque molto interessante.
Il suo enunciato è abbastanza complicato e non lo comprenderete se non avete studiato il ciclo di Carnot e quindi le macchine termiche.
Per questo riporteremo comunque per correttezza questo enunciato, ma poi lo metteremo da parte per concentrarci sulle sue effettive implicazioni, così potrete capire la sua importanza.
In verità esistono più versioni equivalenti dell'enuniciato, noi riporteremo quella di Kelvin-Planck:
È impossibile realizzare una macchina termica ciclica il cui unico risultato sia la conversione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea.
Ovvero se ad esempio fornisco 300J di energia ad una locomotiva bruciando del carbone, lei non potrà mai effettuare 300J di lavoro, perché un po' di quell'energia finirà nell'energia interna della locomotiva.
Oltre a questo, possiamo dedurre un'altra conseguenza molto interessante:
Se guardiamo alle formule delle macchine termine, scopriamo che dire che la macchina non può mai trasformare tutto il calore che riceve in calore, è equivalente a dire che una determinata temperatura deve sempre essere maggiore o uguale a 0 (ovviamente stiamo misurando la temperatura in Kelvin).
Quindi, quello che ci sta dicendo è che non possiamo mai raggiungere la temperatura di 0K, detto zero assoluto (e perciò nemmeno temperature negative).
Siccome 0K = -273,15^\circ C, significa che non possiamo raggiungere la temperatura di -273,15^\circ C o temperature inferiori.
Terzo principio
Il terzo principio della termodinamica è senza dubbio quello meno conosciuto e più complicato, in quanto richiede di conoscere il concetto di entropia.
Esso infatti afferma che:
In una trasformazione reversibile la variazione di entropia tende a zero al tendere a zero della temperatura assoluta.
Ovvero l'entropia tende a 0 quando ci si avvicina allo zero assoluto (che ricordiamo essere 0K).
Questo principio ci riconferma che non si può mai raggiungere lo zero assoluto.