Cos’è la Termodinamica
La termodinamica è una branca della fisica che studia i processi riguardanti la trasformazione di massa ed energia e tutto ciò che è inerente con il calore.
In particolare, la termodinamica studia gli scambi di energia tra il sistema e l’ambiente che possono verificarsi durante una trasformazione, sia essa fisica o chimica, con l’obiettivo di individuare le condizioni di equilibrio o di evoluzione dello stesso sistema.
Un sistema termodinamico è in equilibrio quando le sue caratteristiche, come la temperatura, la pressione e il volume, restano costanti nel tempo. Se non è in equilibrio, invece, il sistema tenderà ad evolvere in autonomia per cercare di raggiungere una condizione di equilibrio.
Cosa sono il Calore e la Temperatura
Nel linguaggio quotidiano, i concetti di calore e temperatura non sempre vengono utilizzati correttamente.
Calore
Il calore può essere definito come energia termica, trasferita tra due corpi che si trovano ad una temperatura differente. Proprio per questo, il calore è una tipologia di energia definita di transito, proprio perché si trasferisce da un corpo all’altro.
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In particolare, un corpo che ha una temperatura più alta può trasferire calore ad un altro corpo con temperatura più bassa, ma non può accadere il contrario: un corpo a temperatura bassa non potrà trasferire calore ad un corpo a temperatura ancora più alta.
Il calore, essendo una forma di energia, ha una sua unità di misura, il joule £$(J)$£ anche se spesso si fa riferimento, in chimica, alle calorie (cal). Una caloria, infatti, è la quantità di calore necessaria per alzare la temperatura di un grammo di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C, alla pressione di 1 atmosfera.
Temperatura
La temperatura, invece, è una proprietà che ci indica lo stato termico di un corpo, cioè lo stato di agitazione delle molecole di cui il corpo è formato. Quando il calore viene trasferito, infatti, le molecole che compongono il corpo cominciano a muoversi più velocemente. Questo fenomeno dà origine all’energia cinetica, cioè l’energia del movimento.
Proprio per questo, possiamo definire la temperatura come la misura dell’energia cinetica delle particelle che costituiscono un corpo. L’unità di misura della temperatura è il kelvin £$(K)$£ e fa riferimento alla scala assoluta della temperatura.
Essa è inoltre definibile per mezzo di una grandezza fisica scalare (ovvero non dotata di direzione e verso), che indica lo stato termico di un corpo.
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Nel Sistema Internazionale la temperatura è una delle sette grandezze fondamentali e viene misurata in Kelvin (si ricorda che 0 K = -273,15°C).
Può essere utilizzata per prevedere la direzione verso la quale avviene lo scambio termico tra più corpi. Infatti la differenza di temperatura tra questi, determina un flusso di calore in direzione del sistema meno caldo, che continua finché non viene raggiunto l’equilibrio termico, in cui i due sistemi hanno la stessa temperatura.
Storia della Temperatura
Il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di “caldo" e “freddo".
In seguito la comprensione dei fenomeni termici estende il concetto di temperatura e mette in luce il fatto che le percezioni termiche sono il risultato di una complessa serie di fattori che includono la temperatura.
I primi tentativi di dare un numero alla sensazione di caldo o di freddo risalgono ai tempi di Galileo.
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Il primo termometro ad alcool viene attribuito tradizionalmente all’inventiva del granduca di Toscana Ferdinando II de’ Medici. Il termometro a mercurio viene attribuito a Gabriel Fahrenheit, che nel 1714 introdusse una scala di temperature ancora in uso.
La Dilatazione Termica
La dilatazione termica è un fenomeno fisico che si realizza quando un corpo aumenta di volume all’aumentare della temperatura. Tale aumento è causato dalla variazione dell’oscillazione degli atomi.
A livello macroscopico il materiale si dilata in risposta all’aumento di temperatura.
L'energia potenziale acquisita dal gas è dovuta all'energia termica somministratagli, cioè al trasferimento di calore.
Energia Termica
L’energia termica è posseduta da qualunque corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto. Lo zero assoluto è la temperatura minima possibile teorica di un qualsiasi sistema termodinamico.
Da un punta di vista microscopico possiamo dire che l’energia termica è il calore prodotto dal movimento oscillatorio di atomi e molecole all’interno di un corpo. Si tratta della somma dell’energia cinetica presente in tutti gli atomi che costituiscono un oggetto e dipende dalla massa di quest’ultimo. Un aumento di temperatura si traduce in un aumento dell’energia cinetica con un’accelerazione del movimento di questi atomi.
L'energia termica è la forma di energia che, come detto, dipende dall'incessante movimento di tutte le molecole che costituiscono un corpo. Questo enunciato ha implicazioni importanti anche sul piano pratico, perché, in parole più semplici, vuol dire che non tutta l'energia termica può essere convertita in energia meccanica. Al contrario, ogni altra forma di energia ha la possibilità di convertirsi integralmente, più o meno spontaneamente nel tempo, in energia termica. Per tale ragione l’energia termica viene considerata una forma di energia degradata.
Ad esempio l'energia meccanica si trasforma in energia termica per attrito, mentre l'energia elettromagnetica si trasforma in energia termica per assorbimento della radiazione, l’energia elettrica si trasforma in energia termica per dissipazione resistiva. Per effetto Joule, cioè mediante quel fenomeno che riguarda qualsiasi conduttore percorso da corrente elettrica e consiste nella dissipazione di una parte dell'energia elettrica in altre forme di energia, prevalentemente sotto forma di calore.
Il fatto che l’energia termica sia una forma di “energia degradata”, non va confuso con l’idea che l’energia termica sia una forma di energia inutilizzabile o “inutile”. L’energia termica può trasformarsi in altre forme di energia.
Utilizzo dell’Energia Termica
L’energia termica può essere sfruttata per la produzione di energia elettrica.
- Centrali termoelettriche: sono impianti industriali che producono energia termica mediante la combustione del combustibile che le alimenta. In passato il combustibile più utilizzato era il carbone, oggi si preferisce il metano, decisamente meno inquinante del carbone, o altri derivati dal petrolio. L’energia termica così ottenuta, riscalda il fluido di lavoro e, azionando la turbina, trasforma l’energia termica in energia meccanica.
- Centrali geotermiche: sfruttano il calore presente nel sottosuolo per produrre energia elettrica. Il calore geotermico è il risultato di processi di decadimento nucleare di elementi radioattivi all'interno del nucleo, del mantello e della crosta terrestre. L'energia termica accumulata nel sottosuolo fuoriesce sulla superficie terrestre attraverso acqua e vapore.
- Termovalorizzatori: sono degli impianti costituiti da una turbina alimentata dal vapore prodotto dalla combustione dei rifiuti indifferenziati. La turbina mette in moto un alternatore per produrre energia elettrica. Il termovalorizzatore consente di recuperare energia dai rifiuti non riciclabili, costituendo l’ultima tappa di un sistema di economia circolare. A2A utilizza impianti con elevate prestazioni energetiche e con innovativi sistemi di depurazione dei fumi.
- Energia solare: viene prodotta raccogliendo e concentrando i raggi solari. Grazie a riflettori e ricevitori, l'energia solare viene amplificata e indirizzata verso un tubo che contiene un fluido per il trasferimento del calore.
- Energia geotermica: si trova nella crosta terrestre, rendendola una risorsa abbondante. Si ottiene perforando in profondità i serbatoi dove può fluire acqua calda.
- Conversione dell'energia termica oceanica (OTEC): utilizza la variazione della temperatura dell'oceano (più calda in superficie, più fredda in profondità) per produrre lavoro utile, tipicamente sotto forma di elettricità.
Sfruttare l'energia termica come fonte di energia rinnovabile può essere un modo efficace per le aziende per diversificare la propria strategia di gestione energetica.
L'Energia Termica e la Termodinamica
L'energia termica si riferisce all'energia creata all'interno di un sistema dal movimento casuale di molecole e atomi. Quando il movimento aumenta, si produce più energia. Il flusso di energia termica da un sistema all'altro è la base per un ramo della fisica nota come termodinamica.
Tra le quattro scienze fisiche, la termodinamica è un ramo della fisica che si concentra su calore, lavoro e temperatura ed esplora il loro rapporto con energia, entropia e proprietà fisiche come materia e radiazione.
Le Leggi della Termodinamica
- Legge zero: Si concentra sull'equilibrio termico, ovvero quando due oggetti vicini raggiungono la stessa temperatura e non si scambiano più energia termica (si pensi all'acqua calda e a una tazza fredda che raggiungono entrambe la temperatura ambiente). La legge afferma che se due sistemi sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo, sono anche in equilibrio termico tra loro.
- Prima legge: Afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma di energia all'altra.
- Seconda legge: Afferma che il calore fluisce spontaneamente dalle regioni più calde alle regioni più fredde. Tuttavia, vieta il contrario: il calore non fluirà spontaneamente dalle regioni fredde a quelle calde. Questa distinzione è fondamentale perché stabilisce il concetto di entropia (il grado di disturbo o incertezza in un sistema) come proprietà fisica.
- Terza legge: Afferma che quando la temperatura di un sistema si avvicina allo zero assoluto, l'entropia del sistema si avvicinerà a un valore minimo. Il concetto di zero assoluto, in cui tutta l'attività all'interno di un sistema si arresta, è considerato irraggiungibile poiché le molecole non possono mai diventare completamente immobili.
Trasferimento Termico di Energia
L'energia termica può essere trasferita attraverso tre metodi: conduzione, convezione e radiazione.
- Conduzione: è il flusso di energia attraverso i materiali solidi.
- Convezione: è il flusso di energia attraverso il movimento fluido.
- Radiazione: è il flusso di energia attraverso le onde.
Il calore distribuito in questo esempio si sposta attraverso tre diversi stati: solido, liquido e gassoso. L'energia termica può alterare gli oggetti in ogni stato e può persino innescare un cambiamento di fase, a seconda della quantità di calore applicata. Ciò dipende dal calore latente e sensibile.
- Calore latente: si riferisce alla quantità di calore o di energia necessaria per innescare un cambiamento di fase (trasformando l'acqua bollente in vapore).
- Calore sensibile: si riferisce all'energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza (la fiamma che rende la pentola più calda).
Ogni oggetto ha la sua capacità termica specifica, che è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grado Celsius.
Energia Termica, Calore e Temperatura: Chiarezza Concettuale
L'energia termica viene spesso utilizzata in modo intercambiabile con il calore, sebbene vi siano lievi sfumature. L'energia termica si riferisce al movimento di molecole e atomi all'interno di un sistema. Il calore, d'altra parte, è il trasferimento o il flusso di energia termica da un sistema a un altro. La temperatura si riferisce all' energia cinetica media generata all'interno di un sistema, ed è misurata in Celsius, Fahrenheit, Kelvin o Rankine.
È importante notare che la temperatura registra il "caldo" o il "freddo" di un oggetto in un momento specifico, ma non la sua energia. Un altro modo di pensare alla relazione tra i tre tipi è che l'energia termica è la quantità totale di energia in un sistema, il calore è il flusso di energia da quel sistema a un altro e la temperatura è l’energia cinetica media delle molecole.
Essa definisce la quantità di calore Q scambiata (quindi ceduta o acquistata) a seconda della variazione di temperatura £$ \Delta T $£ . In particolare tra £$ \Delta Q$£ e £$ \Delta T $£ vi è un rapporto di proporzionalità diretta. Inoltre, se la variazione di temperatura è positiva (ovvero il corpo si riscalda), anche la variazione di quantità di calore ha segno positivo, mentre se il corpo si raffredda, £$ \Delta Q$£ e £$ \Delta T $£ sono entrambi negativi.
Una grandezza analoga è il calore specifico molare.