Principi Fondamentali di Termodinamica e Proprietà della Materia

Termodinamica: Concetti Fondamentali

La Termodinamica è la branca della fisica che studia i sistemi termodinamici da un punto di vista microscopico e macroscopico, con particolare riferimento alle trasformazioni relative alla temperatura, al calore, al lavoro e all'energia.

Sistema Termodinamico

Il Sistema Termodinamico è uno strumento utilizzato dai fisici per schematizzare la realtà o una porzione del mondo oggetto della nostra osservazione, attraverso il quale studiare i comportamenti del nostro oggetto di studio e le sue proprietà fisiche macroscopiche (pressione, volume, temperatura).

Il principio di conservazione dell'energia meccanica vale in assenza di forze dissipative (attrito). Nella realtà, l'energia meccanica non si conserva perché sui sistemi agiscono forze esterne che dissipano energia sotto forma di calore.

Temperatura e Calore

È importante distinguere tra Temperatura e Calore:

• Calore: energia termica che provoca cambiamenti nella temperatura di un corpo.
• Temperatura: misura l'energia cinetica media delle molecole di un corpo. È una grandezza che ci permette di stabilire se un corpo è in equilibrio termico con un altro.

Quando misuriamo la temperatura con un termometro, lo strumento stesso è in equilibrio termico con il corpo. Per cui: T_termometro = T_corpo.

Dilatazione Termica

La Dilatazione Termica è un fenomeno di origine microscopica per cui all'aumentare della temperatura corrisponde un aumento del volume dei corpi.

Esistono diversi tipi di dilatazione:

• Dilatazione Lineare: corpo unidimensionale, si dilata lungo una sola direzione.
• Dilatazione Superficiale: corpo bidimensionale, aumento di superficie.
• Dilatazione Volumica: corpo tridimensionale, dilatazione nelle 3 dimensioni.

NB: Una diminuzione della temperatura comporta una riduzione del volume (contrazione termica).

Agitazione Termica

L'Agitazione Termica descrive il movimento delle molecole. Per effetto dell'aumento di temperatura, le molecole vibrano più velocemente, urtandosi e tendendo ad allontanarsi. Questo porta all'aumento di volume.

Stati della Materia e Proprietà Termiche

Il comportamento termico varia a seconda dello stato della materia:

• Corpi Solidi: Molecole/atomi disposti lungo un reticolo cristallino, struttura rigida che impedisce il movimento delle molecole/atomi, che possono solo vibrare attorno alla posizione di equilibrio.
• Corpi Liquidi: Molecole/atomi tenute da legami molto deboli e libere di vibrare e scivolare l'una sull'altra. La legge di dilatazione termica per i liquidi è approssimativamente lineare: la variazione di volume è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura. Un'eccezione notevole è l'acqua: il suo volume aumenta quando la temperatura scende al di sotto dei 4°C fino al congelamento.
• Gas: Molecole/atomi tenute da legami quasi nulli e libere di vibrare, scivolare l'una sull'altra e muoversi indipendentemente. Caratterizzati da alta temperatura e bassa densità (le particelle non interagiscono significativamente tra loro).

Gas Perfetti

I Gas Perfetti sono un modello idealizzato di gas, come Elio e Idrogeno in determinate condizioni, in cui le interazioni tra le molecole sono trascurabili.

Misura delle Proprietà Macroscopiche

Le proprietà macroscopiche di un sistema termodinamico vengono misurate con specifici strumenti:

• Massa: Bilancia di precisione.
• Volume: In base al volume del contenitore (per gas e liquidi).
• Temperatura: Termometro.
• Pressione: Manometro.

Trasformazioni Termodinamiche

Una Trasformazione Isobara è una trasformazione termodinamica che avviene a pressione costante (p = costante). In una trasformazione isobara per un gas ideale, il volume (V) e la temperatura (T) sono direttamente proporzionali (Legge di Charles).