Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore come una forma di energia
che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è
una sostanza materiale.
È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il
lavoro o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente equivalenti.
In altre parole, il principio di conservazione dell'energia afferma che, poiché l'energia non
può essere né creata né distrutta, la somma delle quantità di calore trasferita a un sistema
e del lavoro compiuto sul medesimo deve essere uguale alla variazione dell'energia
interna del sistema stesso. Calore e lavoro sono i mezzi attraverso i quali i sistemi si
scambiano energia.
Il primo principio è dunque un caso particolare del principio di conservazione dell'energia.
In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro; non
può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile
macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto "moto perpetuo di prima specie".
Secondo principio della termodinamica
Impone un'ulteriore condizione alle trasformazioni termodinamiche. Esistono diversi
enunciati, tutti equivalenti, di questo principio e ciascuna delle formulazioni ne mette in
risalto un particolare aspetto. Esso afferma che è impossibile realizzare una processo
ciclico che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo freddo a un
corpo caldo (enunciato di Clausius) o, equivalentemente, che è impossibile costruire una
macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola
sorgente (enunciato di Kelvin).
Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto "moto perpetuo di
seconda specie".
Può essere enunciato dicendo che è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un
numero finito di trasformazioni e fornisce una precisa definizione di una grandezza
chiamata, appunto, ENTROPIA.
L'entropia si può pensare come la misura di quanto un sistema sia vicino allo stato di
equilibrio, o in modo equivalente come la misura del grado di disordine di un sistema. Il
secondo principio afferma che l'entropia, cioè il disordine, di un sistema isolato non può
diminuire. Pertanto, quando un sistema isolato raggiunge una configurazione di massima
entropia non può subire trasformazioni: ha raggiunto l'equilibrio.
Ma qual è il significato dell'aumento di entropia delle trasformazioni in natura? Una
risposta è che esso rappresenta l'entità con cui tale trasformazione contribuisce alla
"degradazione" dell'Universo. Sappiamo che l'acqua tiepida non si scomporrà mai da sé,
separandosi in una parte più calda e una più fredda.
Naturalmente, non vi è diminuzione di energia quando, per esempio, si mescolano acqua
calda e acqua fredda, ma una diminuzione di disponibilità di energia, nel senso che una
certa quantità non è più disponibile; si dice che l'Universo è degradato di tale entità.
2
La tendenza di tutti i processi naturali è di portare ad uno stadio di uniformità di
temperatura, pressione, composizione, ecc. in tutti i punti. Si può pensare che in un
lontano futuro, come conseguenza di tali processi, l'Universo possa raggiungere uno
stadio di completa ed assoluta uniformità.
Quando e se si raggiungerà un tale stato, pur senza esserci variazioni di energia in seno
all'Universo, tutti i processi fisici, chimici e presumibilmente biologici cesserebbero. Questa
meta verso cui esso sembra essere diretto è stata descritta come la "morte termica"
dell'Universo.
Ricapitolando, i principi della termodinamica possono essere espressi come segue.
Principio zero (formulato nel 1931)
Come il tempo è la variabile più importante della dinamica, così la temperatura è la
variabile fondamentale della termodinamica. Il principio zero della termodinamica introduce il concetto di temperatura, conoscendo la quale si può sapere con sicurezza se fra
due sistemi ci sarà o no scambio di calore.
Se fra due "sistemi" posti a contatto non c'è scambio di calore essi hanno la stessa
temperatura.
Primo principio della termodinamica
Principio di conservazione dell'energia, l'energia può cambiare forma (termica, meccanica,
chimica, elettrica) ma non può essere creata o distrutta.
All'interno di un sistema chiuso, che non scambi calore o materia con l’esterno, l'energia
totale rimane invariata.
L'energia potenziale e' quella immagazzinata nei corpi (gravitazionale, elastica, massa) e
pronta per essere trasformata.
L'energia cinetica e' quella propria di tutti i corpi in movimento
Il fatto che sia l'energia a conservarsi e non il calore fu compreso negli anni '50 del 1800 e
costituisce la conclusione delle ricerche di Kelvin e Clausius.
L'energia spodestò dalla sua posizione dominante il concetto di "forza" che Newton aveva
insegnato a trattare in termini matematici.
Secondo principio della termodinamica
Tendenza di ogni cosa nell'universo a raffreddarsi, a decadere, a scaricarsi, mentre gli
atomi tendono ad assumere una condizione di moto casuale.
Il secondo principio implica una irreversibile tendenza dell'universo verso l'aumento
dell’entropia
3
Esistono altre due formulazioni del secondo principio:
L'energia termica si trasferisce spontaneamente da corpi caldi a corpi freddi. Non esiste
un sistema che trasformi energia in un'equivalente quantità di lavoro (il moto perpetuo
non può esistere).
In pratica la conversione dell'energia porta inevitabilmente da forme più concentrate a
forme meno concentrate e quindi meno utili per produrre lavoro (inteso come forza
utilizzata per spostare qualcosa).
Il secondo principio riconosce che in Natura esiste una fondamentale asimmetria: un
oggetto caldo si raffredda spontaneamente, ma un oggetto freddo non si riscalda
spontaneamente; una palla lanciata in alto rimbalza e lentamente si ferma, ma una palla
ferma non si mette a rimbalzare spontaneamente.
Questo concetto ci dice che nonostante l'energia si conservi, la sua distribuzione
cambia in modo irreversibile.
L'energia contenuta in un litro di benzina viene trasformata dal motore a scoppio in
energia termica e poi parte in lavoro meccanico, in energia elettrica, ecc.
Quando il litro di benzina è bruciato completamente, in nessun modo è possibile
recuperarlo.
4