Termodinamica

La termodinamica è una branca della fisica che si occupa della dipendenza delle proprietà fisiche del corpo alla temperatura , fenomeni in cui avvengono gli scambi di calore , e la trasformazione dell'energia tra forme diverse.

La termodinamica può essere affrontata da due approcci diversi e complementari: fenomenologico e statistico .

La termodinamica fenomenologica o classica è stata oggetto di numerosi sviluppi fin dal XVII °  secolo. Si basa su considerazioni macroscopiche per stabilire un numero ridotto di principi e leggi, risultanti da osservazioni sperimentali.

Termodinamica statistica, sviluppatesi dalla metà del XIX °  secolo, si basa per le sue considerazioni molecolare e sul calcolo delle probabilità applicate a un gran numero di particelle. Si sforza di analizzare la struttura della materia e di stabilire un legame tra le sue proprietà ei principi della termodinamica fenomenologica.

Lo studio dei gas ideali e quello delle macchine termiche , che scambiano energia con l'esterno sotto forma di lavoro e calore , occupano un posto centrale nella termodinamica: hanno permesso lo sviluppo di un gran numero di macchine e metodi industriali. come base per importanti scoperte in chimica, astrofisica e molti altri campi scientifici.

Storia

Caldo e le nozioni di freddo sono sempre esistiti, ma questo è davvero solo a partire dal XVIII °  secolo che il concetto di calore nelle scienze. Nel 1780, Pierre Simon de Laplace e Antoine Laurent de Lavoisier scrissero così congiuntamente: “Qualunque sia la causa che produce la sensazione di calore, è suscettibile di aumento e diminuzione e, da questo punto di vista, può essere soggetta a calcolo. Non sembra che gli antichi avessero l'idea di misurarne le relazioni, ed è solo nel secolo scorso che si immaginavano i mezzi per realizzarlo. " . Inizialmente focalizzata sui concetti di calore e temperatura, i termodinamica fenomenologica è interessato dalla fine del XVIII °  secolo per definire le varie forme di energia, per includere trasferimenti tra le diverse forme e spiegare l'impatto di questi trasferimenti sulle proprietà fisiche della materia. Principalmente sulla base di esperimenti, si è completato dal XIX °  secolo dai contributi di fisica statistica , che, basandosi sulla teoria atomica della materia , i fisica quantistica e potenti strumenti matematici, conferiscono un solido fondamento teorico che renderà possibile, in particolare, comprendere la nozione di irreversibilità di certe trasformazioni, o anche il comportamento della materia in condizioni estreme di pressione o temperatura.

L'apparente semplicità dei concetti base della termodinamica, l'immensità dei suoi campi di applicazione, e la profondità degli studi teorici che ne deriva hanno affascinato molti scienziati e in particolare hanno portato Albert Einstein a dichiarare:

"Una teoria è tanto più impressionante quando i suoi fondamenti sono semplici, si riferisce a vari campi e il suo campo di applicazione è ampio. Ecco perché la termodinamica classica fa una così forte impressione su di me. è l'unica teoria fisica di portata universale che ho sono convinto che, fintanto che si applicano i suoi concetti di base, non sarà mai criticato. "

Gas ideali: dalla fenomenologia alla statistica

Lo studio dei gas ideali e del loro comportamento al variare della loro temperatura, pressione o volume è uno dei principali fondamenti storici della termodinamica. Il suo svolgersi fornisce un'illustrazione dei metodi sperimentali sviluppati per questa scienza, nonché del legame tra termodinamica fenomenologica e statistica.

Scoperte e metodi fenomenologici

Nel 1662, il fisico irlandese Robert Boyle dimostra sperimentalmente che un gas mantenuto a temperatura costante soddisfa la seguente relazione tra la sua pressione e il suo volume  : . Questa è la legge di Boyle-Mariotte , che stabilisce i risultati delle trasformazioni isoterme di un sistema di gas. P{\ stile di visualizzazione P}V{\ stile di visualizzazione V}PV=costante{\ displaystyle PV = {\ text {costante}}}

Nel 1787, il fisico francese Jacques Charles dimostra che un gas a pressione costante soddisfa la seguente relazione tra volume e temperatura  : . Questa è la legge di Charles , che stabilisce i risultati delle trasformazioni isobariche di un sistema di gas. V{\ stile di visualizzazione V}T{\ stile di visualizzazione T}V/T=costante{\ displaystyle V / T = {\ text {costante}}}

Nel 1802 il fisico francese Joseph Louis Gay-Lussac mostra che un gas a volume costante soddisfa la seguente relazione tra la sua pressione e la sua temperatura  : . Questa è la legge di Gay-Lussac , che stabilisce i risultati delle trasformazioni isocore di un sistema di gas. P{\ stile di visualizzazione P}T{\ stile di visualizzazione T}P/T=costante{\ displaystyle P / T = {\ text {costante}}}

Nel 1811 il fisico italiano Amedeo Avogadro dimostrò che volumi uguali di gas ideali diversi, alle stesse condizioni di temperatura e pressione , contengono lo stesso numero di molecole . Questa è la legge di Avogadro .

E nel 1834 il fisico francese Emile Clapeyron enuncia la legge dei gas ideali , che sintetizza le quattro leggi precedenti e lega tra loro le quattro variabili di stato che sono la pressione , il volume , la temperatura e la quantità di materia (numero di moli ) di un sistema termodinamico costituito da gas ideali: P{\ stile di visualizzazione P}V{\ stile di visualizzazione V}T{\ stile di visualizzazione T} non{\ stile di visualizzazione n}

PV=nonRT{\ displaystyle PV = nRT}

dove è la costante dei gas ideali , pari a 8,314 462 1  J/(mole · K) . R{\ stile di visualizzazione R}

Gli esperimenti che hanno portato a questo risultato utilizzano tutti lo stesso metodo: il fisico congela due variabili per studiare i collegamenti tra le altre due. Boyle si congelò così e per studiare i legami tra e , Charles e studiare e , Gay-Lussac e studiare e , e Avogadro e studiare e . non{\ stile di visualizzazione n}T{\ stile di visualizzazione T}P{\ stile di visualizzazione P}V{\ stile di visualizzazione V}non{\ stile di visualizzazione n}P{\ stile di visualizzazione P}V{\ stile di visualizzazione V}T{\ stile di visualizzazione T}non{\ stile di visualizzazione n}V{\ stile di visualizzazione V}P{\ stile di visualizzazione P}T{\ stile di visualizzazione T}P{\ stile di visualizzazione P}T{\ stile di visualizzazione T}V{\ stile di visualizzazione V}non{\ stile di visualizzazione n}

Teoria atomica e fisica statistica

Parallelamente allo sviluppo di questi studi di natura fenomenologica, la teoria atomica della materia fece notevoli progressi, sotto l'impulso, in particolare, del britannico John Dalton , che già nel 1803 delinea una precisa teoria della struttura atomica della materia , spiega le reazioni chimiche mediante l'interazione tra atomi, e pone le basi per la tavola periodica degli elementi , e lo scozzese Robert Brown che descrisse il moto browniano nel 1827.

I termodinamici utilizzano i loro risultati e i metodi corrispondenti per creare l'approccio statistico della disciplina: il fisico tedesco Rudolf Clausius nel 1850 inventò il termine "entropia", definì la corrispondente variabile di stato come una quantità di origine statistica, e affermò che diventa la formulazione moderna del secondo principio della termodinamica. Pochi anni dopo, lo scozzese James Clerk Maxwell e l'austriaco Ludwig Boltzmann stabiliscono la statistica Maxwell-Boltzmann che determina la distribuzione delle particelle tra i diversi livelli energetici. L'americano Willard Gibbs , negli anni '70 dell'Ottocento, fu attivo sia nella termodinamica classica che nel suo approccio statistico: definì l' entalpia libera , il potenziale chimico , la nozione di varianza e la formula per calcolarla, nonché il termine “meccanica statistica ” con le corrispondenti nozioni statistiche (insiemi canonici , microcanonici e grancanonici ) ancora in uso da allora.

Il loro lavoro porta in particolare alla teoria cinetica dei gas , che supporta i risultati dell'approccio fenomenologico spiegando la natura e l'origine di due fondamentali variabili di stato: la temperatura, che è una misura dell'energia cinetica statistica delle molecole agitate dal moto browniano, e la pressione, che viene creata dagli shock statistici delle molecole sulla parete del recipiente contenente il gas. Questa teoria spiega ulteriormente perché le formule stabilite dalla termodinamica fenomenologica sono applicabili solo per pressioni relativamente basse.

Questa complementarietà tra approccio macroscopico e microscopico è una caratteristica importante della termodinamica, che non è solo una scienza delle trasformazioni energetiche, ma anche dei cambiamenti di scala.

Macchine termiche: comprendere e utilizzare le proprietà del calore

I concetti di calore e temperatura sono essenziali in termodinamica. Molti progressi in questa scienza si basano sullo studio dei fenomeni che dipendono dalla temperatura e dai suoi cambiamenti.

Calore e temperatura

Ognuno ha una conoscenza intuitiva del concetto di temperatura e calore: un corpo è caldo o freddo, a seconda che la sua temperatura sia più alta o più bassa. Ma la precisa definizione scientifica di questi due concetti non è stato possibile stabilire fino alla metà del XIX °  secolo.

Uno dei grandi successi della termodinamica classica è quello di aver definito la temperatura assoluta di un corpo, che ha portato alla creazione della scala Kelvin . Questo dà la temperatura minima teorica valida per tutti i corpi: zero kelvin o -273.15  °C . È lo zero assoluto il cui concetto compare per la prima volta nel 1702 con il fisico francese Guillaume Amontons e che fu formalizzato nel 1848 da William Thomson , meglio conosciuto con il nome di Lord Kelvin.

Il caldo era più difficile da definire scientificamente. Una vecchia teoria, difesa in particolare da Lavoisier , attribuiva a un fluido speciale (invisibile, imponderabile o quasi) le proprietà del calore, calorico , che circola da un corpo all'altro. Più un corpo è caldo, più calorie conterrebbe. Questa teoria è falsa nel senso che il calorico non può essere identificato con una quantità fisica conservata. La termodinamica statistica ha permesso di definire il calore come un trasferimento di energia disordinata da un sistema all'ambiente esterno: l' energia termica di un sistema corrisponde all'energia cinetica delle molecole che si muovono secondo moto browniano , subendo urti casuali. Si dice che l'energia trasferita è disordinata a livello microscopico, in contrapposizione al trasferimento di energia ordinata a livello macroscopico ottenuto attraverso il lavoro .

Macchine termiche

La termodinamica classica ha avuto molti successi come scienza delle macchine termiche o scienza della forza motrice del fuoco .

Il calore può essere prodotto dall'attrito tra corpi macroscopici: le tecniche ancestrali di produrre fuoco dall'attrito di due pezzi di legno, o dall'urto tra due pietre, mostrano che questa proprietà è nota all'umanità da molto tempo.

Al contrario, il calore può mettere in movimento corpi macroscopici. I sistemi volti a creare e sfruttare questo movimento sono chiamati macchine del fuoco o macchine termiche. Queste macchine rimangono in movimento finché esiste una differenza di temperatura tra una parte calda e una parte fredda.

Sadi Carnot ha avviato studi moderni sulle macchine termiche in una tesi fondante: Riflessioni sulla forza motrice del fuoco e sulle macchine atte a sviluppare questa forza ( 1824 ). Il ciclo di Carnot , studiato in questa tesi , rimane il principale esempio di studio teorico di queste macchine che trasformano l'energia termica in lavoro seguendo un ciclo di quattro fasi reversibili. Sadi Carnot calcola il rendimento di picco teorica di macchine termiche, che le macchine reali possono essere confrontati con le prestazioni e descrive i principi utilizzati dal momento che in molte macchine: motori termici , pompe di calore , condizionatori d'aria e macchine frigorifere , o vapore e gas turbine . Questa tesi ha anche delineato la nozione di irreversibilità , che è il fondamento del secondo principio della termodinamica.

Dal calore al movimento

Lo studio delle macchine termiche è alla base di molte importanti applicazioni, come i motori termici o le turbine a vapore, e ha contribuito a una migliore comprensione di alcuni fenomeni naturali, in particolare i fenomeni meteorologici.

Questa sezione presenta alcuni esempi in cui la potenza termica (o potenza di fuoco) mette in movimento la materia.

• Una candela accesa mette in movimento l'aria intorno ad essa. Viene creata una corrente ascensionale sopra la fiamma . È perennemente rinnovata da una corrente di aria fredda che arriva dal basso. È una corrente di convezione .
• L'acqua in una pentola sul fuoco inizia a muoversi come l'aria sopra la candela e come tutti i fluidi sopra superfici sufficientemente calde. Se si mette un coperchio, si verifica un nuovo fenomeno: il vapore solleva il coperchio, che poi cade per essere sollevato ancora e ancora fino a quando il fuoco o l'acqua non si esauriscono, e quindi la produzione di vapore. L' invenzione dei motori a vapore potrebbe essere collegata a questa semplice osservazione. Se sostituisci il coperchio con un pistone in un cilindro, ottieni un sistema di pistoni che può essere spinto dal vapore o da qualsiasi altro gas per una lunga corsa e che è la base di un motore. I motori a vapore e i motori termici non sono sempre costruiti sul principio del pistone e del cilindro, ma le altre soluzioni non sono molto diverse. Possiamo quindi ritenere che l'esperienza del coperchio della padella sia all'origine delle invenzioni di tutti questi motori.
• Gli uomini conoscevano la turbina a vapore molto prima dell'opera di Sadi Carnot . Uno dei primi risultati è stato l' eolipyle che consiste in una sfera di metallo che ruota su un asse. L'acqua contenuta nella sfera viene riscaldata dal basso: produce due getti di vapore tangenziali e contrapposti che mettono in movimento la sfera. Questo sistema è stato appena migliorato fino ai tempi moderni. I motori a reazione odierni ( turbine a gas ) funzionano in gran parte secondo lo stesso principio di questo antenato della turbina .
• La forza motrice del fuoco è stata notevolmente sviluppata per fabbricare armi. In un'arma da fuoco, il proiettile (proiettile, proiettile o altro) viene spinto nella canna dalla rapidissima espansione del gas molto caldo prodotto dalla combustione di polvere o altro esplosivo . La canna forma un cilindro in cui circola il proiettile che svolge il ruolo di pistone.
• L' atmosfera terrestre è messa in moto dal calore del Sole  : le differenze di temperatura sulla superficie terrestre e nell'atmosfera creano differenze di pressione che generano il vento . La forza del vento è quindi anche una forma della forza del fuoco.

  • L' Eolipile di Airone di Alessandria  : l'antenato delle turbine a vapore.

  • Tipica macchina termica: il calore passa dal caldo al freddo e si produce lavoro.

  • Principio di un'arma da fuoco: l'esplosione creata dallo sparo della polvere lancia rapidamente il proiettile nella canna.

  • La brezza marina, creata dalla differenza di temperatura tra aria, terra e mare, si inverte tra il giorno e la notte.

  Tipico sistema termodinamico

  Un tipico sistema termodinamico è un sottoinsieme dell'universo costituito da un gran numero di particelle. Per lo studio di questo sistema, la termodinamica è interessata alle proprietà complessive e non ai comportamenti individuali di ogni particella o sottoinsieme di particelle. Occorre quindi creare e ragionare su grandezze macroscopiche, come la temperatura , la pressione o l' entropia , che rendano coerente la descrizione macroscopica della materia .

  Le caratteristiche essenziali di un sistema termodinamico sono definite come segue:

  • il sistema è macroscopico: comprende un numero molto elevato di particelle (tipicamente un numero almeno vicino al numero di Avogadro );NONA{\ displaystyle N _ {\ testo {A}}}
  • il sistema è puro o è una miscela a seconda che sia costituito o meno da particelle identiche;
  • il sistema è omogeneo o eterogeneo a seconda che sia costituito o meno da un'unica fase .

  Il sistema è ulteriormente definito dalle sue relazioni con il suo ambiente e può essere ad esempio:

  • isolato se non c'è trasferimento con l'ambiente;
  • chiuso se non scambia materia con l'ambiente;
  • aperto se non è né isolato né chiuso.

  Generalmente si studiano sistemi omogenei chiusi per poi cercare di generalizzare i risultati a sistemi più complessi.

  La definizione molto generale di un sistema termodinamico permette di progettarli e studiarli di tutte le dimensioni: un tale sistema può infatti essere costituito da pochi centimetri cubi di gas o da pochi grammi di solido, ma può estendersi anche all'universo intero. Questo è ciò che ha permesso di Clausius alla metà del XIX °  secolo, per dire che: "L'energia dell'universo è costante e l'entropia dell'universo tende verso un massimo."

  Caratterizzazione di un sistema termodinamico

  Rappresentazione

  Quando si determinano le variabili che permettono di caratterizzare il sistema, si fa la “rappresentazione del sistema”.

  Varianza

  La varianza di un sistema è definita come il numero massimo di variabili indipendenti intensive che uno sperimentatore può fissare senza rompere l'equilibrio del sistema. Può essere calcolato con la regola di Gibbs .

  Ad esempio, la varianza di un gas ideale è 2: lo sperimentatore può scegliere liberamente i valori della pressione e della temperatura.

  Variabili intense ed estese

  Le variabili di stato sono variabili che definiscono il sistema che semplicemente imposta il valore per ricostruire esattamente lo stesso sistema. Tra queste grandezze fisiche si distinguono le variabili estensive e intensive .

  Una variabile di stato è estensiva quando il suo valore per l'intero sistema è la somma dei suoi valori per ciascuna delle sue parti. Le quantità estese sono proporzionali alla quantità di materiale nel sistema. Diciamo anche che una variabile estesa è una variabile omogenea di grado 1 rispetto alla quantità di materia.

  Le principali variabili estensive utilizzate in termodinamica sono: il volume (osservato e misurato in metri cubi , simbolo m 3 ), la massa ( , in chilogrammi , kg), la quantità di materia ( , in moli , mol) o il numero di particelle di una data specie (denotata , adimensionale), l'energia interna ( , in joule , J) e l' entropia ( , in joule per kelvin , J/K), o l' entalpia ( , in joule, J). V{\ stile di visualizzazione V}m{\ stile di visualizzazione m}non{\ stile di visualizzazione n}NON{\ stile di visualizzazione N}tu{\ stile di visualizzazione U}S{\ stile di visualizzazione S}H{\ stile di visualizzazione H}

  Una variabile di stato è intensiva quando in un sistema omogeneo il suo valore è lo stesso per l'intero sistema e per ciascuna delle sue parti, indipendentemente dalla quantità di materiale nel sistema. Diciamo anche che una variabile intensiva è una variabile omogenea di grado 0 rispetto alla quantità di materia.

  Le principali variabili intensive utilizzate in termodinamica sono: pressione ( , misurata in pascal , simbolo Pa), temperatura assoluta ( , in kelvin , K), viscosità (misurata in pascal secondi , Pa s), o anche volume di massa ( , in chilogrammi per metro cubo, kg/ m 3 ) ed energia per unità di volume o massa (in joule per metro cubo o per chilogrammo). P{\ stile di visualizzazione P}T{\ stile di visualizzazione T}ρ{\ displaystyle \ rho}

  Equilibrio e trasformazione

  Un sistema è in equilibrio termodinamico se è contemporaneamente in equilibrio termico , meccanico e chimico .

  L'obiettivo della termodinamica è caratterizzare la trasformazione dello stato di un sistema tra un tempo iniziale e un tempo finale, corrispondenti a due stati di equilibrio.

  Questa trasformazione può avere diverse caratteristiche, tra cui:

  • isobarico (a pressione di sistema costante);
  • isocora (a volume costante);
  • isotermico (a temperatura costante);
  • adiabatico (senza scambio termico con l'esterno).

  Può essere anche ciclico o meno, reversibile o meno, infine può essere improvviso o quasi statico .

  Le trasformazioni quasi statiche sono fondamentali in termodinamica: la transizione dallo stato iniziale allo stato finale avviene abbastanza lentamente da poter considerare le variabili di stato del sistema in continua evoluzione e rimanendo omogenee nel sistema durante l'elaborazione. Il sistema si comporta allora come attraversando una successione di stati di equilibrio molto vicini tra loro. È quindi possibile applicarvi i vari principi della termodinamica, e utilizzare gli strumenti del calcolo infinitesimale e delle probabilità , come la legge dei grandi numeri , per prevederne l'evoluzione.

  Questo metodo è così importante che alcuni definiscono la termodinamica come la scienza di trasformare grandi sistemi in equilibrio.

  Principi di termodinamica

  La termodinamica si basa su quattro principi che integrano quello della conservazione della massa  :

  • il principio zero riguarda il concetto di equilibrio termico  ;
  • il primo principio (principio di equivalenza) riguarda la natura conservativa dell'energia  ;
  • il secondo principio ( principio di Carnot) afferma la nozione di irreversibilità e il concetto di entropia  ;
  • il terzo principio ( principio di Nernst) è infine interessato alle proprietà della materia nell'intorno dello zero assoluto .

  Il primo e il secondo principio sono fondamentali. Gli altri principi (0 e 3) possono essere dedotti dai principi 1 e 2 e dalle formule della fisica statistica.

  Primo principio della termodinamica

  Il primo principio della termodinamica permette di studiare i trasferimenti e le trasformazioni di energia tra uno stato iniziale (I) e uno stato finale (F). Afferma che l'energia totale di un sistema isolato è conservata in tutte le trasformazioni subite da questo sistema.

  stati

  Per qualsiasi sistema termodinamico possiamo definire, fino ad una costante, una funzione , detta energia interna e avente le seguenti proprietà: tu{\ stile di visualizzazione U}

  • tu{\ stile di visualizzazione U}è una funzione di stato (dipende solo dagli stati iniziale e finale della trasformazione). È descritto da variabili necessarie e sufficienti;
  • tu{\ stile di visualizzazione U} è esteso;
  • tu{\ stile di visualizzazione U} conserva in un sistema isolato.

  Durante una trasformazione infinitesimale tra uno stato iniziale e uno stato finale, la variazione dell'energia interna di un sistema chiuso verifica: Δtu{\ displaystyle \ Delta U}

  dEvs+dEp+dtu=δW+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}} + \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}} + \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}

  o :

  • dEvs{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}}}denota la variazione di energia cinetica  ;
  • dEp{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}}}la variazione dell'energia potenziale esterna;
  • δW{\ displaystyle \ delta W} il lavoro delle forze dell'ambiente esterno sul sistema (la derivata è parziale poiché ci sono diversi percorsi possibili);
  • δQ{\ displaystyle \ delta Q} la quantità di calore ricevuta dall'ambiente esterno all'impianto (la derivata è parziale in quanto vi sono più percorsi possibili).
  Spiegazione del primo principio

  Il primo principio della termodinamica , o principio di conservazione dell'energia, afferma che l' energia si conserva sempre. In altre parole, l'energia totale di un sistema isolato rimane costante. Gli eventi che si verificano lì si traducono solo nella trasformazione di certe forme di energia in altre forme di energia. L'energia non può quindi essere prodotta ex nihilo  ; è in quantità invariabile in natura. Può essere trasmesso solo da un sistema all'altro. Non creiamo energia, la trasformiamo.

  Questo principio è anche una legge generale per tutte le teorie fisiche (meccanica, elettromagnetismo, fisica nucleare...). Non abbiamo mai trovato la minima eccezione e sappiamo dal teorema di Noether che la conservazione dell'energia è strettamente correlata ad un'uniformità della struttura dello spazio-tempo. Si unisce a un principio promosso da Lavoisier  : "  Nulla si perde, niente si crea, tutto si trasforma  ".

  Secondo principio della termodinamica

  Il primo principio vieta ogni trasformazione che crei energia, ma autorizza tutte le altre, in particolare tutte quelle che sono reversibili e rispettano la conservazione dell'energia. Tuttavia, in molti casi, gli sperimentatori hanno potuto osservare che alcune trasformazioni non erano reversibili: ad esempio una goccia di colorante che si diluisce in acqua non diventerà mai più una goccia di colorante. Per spiegare questa irreversibilità occorre un altro principio: è il secondo principio della termodinamica che definisce una nuova variabile di stato, l' entropia .

  stati

  Esiste una funzione chiamata entropia, come ad esempio: S{\ stile di visualizzazione S}

  • S{\ stile di visualizzazione S} è esteso;
  • S{\ stile di visualizzazione S} è una funzione di stato all'equilibrio
  • durante l'evoluzione di un sistema chiuso, l'entropia del sistema soddisfa la seguente disuguaglianza nei punti di scambio:
  dS≥(δQT)Xj{\ displaystyle \ mathrm {d} S \ geq \ left ({\ frac {\ delta Q} {T}} \ right) _ {x_ {j}}}

  o :

  • dS{\ displaystyle \ mathrm {d} S} denota la variazione di entropia (J / K);
  • δQ{\ displaystyle \ delta Q} il calore ricevuto (J);
  • T{\ stile di visualizzazione T} temperatura (K);
  • Xj{\ displaystyle x_ {j}} il/i punto/i di scambio.

  Nota: quando viene raggiunta la massima entropia, la temperatura è la stessa in tutto il sistema.

  Spiegazione del secondo principio

  Il secondo principio della termodinamica , o principio di evoluzione dei sistemi, afferma la degradazione dell'energia: l'energia di un sistema passa necessariamente e spontaneamente da forme concentrate e potenziali a forme diffuse e cinetiche (attrito, calore,  ecc .). Introduce così la nozione di irreversibilità di una trasformazione e la nozione di entropia. Egli afferma che l'entropia di un sistema isolato aumenta o rimane costante.

  Questo principio è spesso interpretato come una "misura del disordine" e come l'impossibilità di passare dal "disordine" all'"ordine" senza un intervento esterno. Questa interpretazione si basa sulla teoria dell'informazione di Claude Shannon e sull'estensione di questa "informazione" o entropia di Shannon . Questo principio ha un'origine statistica  : a differenza del primo principio, le leggi microscopiche che governano la materia la contengono solo implicitamente e statisticamente.

  Il secondo principio ha moltissime interpretazioni e implicazioni che hanno portato, negli anni e nelle scoperte, a più di 20 diverse formulazioni.

  Principio zero della termodinamica

  stati

  Se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo, allora sono anche insieme in equilibrio termico.

  Spiegazione del principio zero

  Il principio zero della termodinamica riguarda la temperatura e la nozione di equilibrio termico. È alla base della termometria : afferma che la temperatura è una grandezza rilevabile , e che, di conseguenza, è possibile misurarla per confronto, quindi progettare termometri .

  Terzo principio della termodinamica

  stati

  Il terzo principio afferma che l'entropia S di un sistema termodinamico in equilibrio interno si avvicina ad una costante universale S0 quando la temperatura assoluta T si avvicina allo zero. Alternativamente, possiamo dire che S → S0 in uno stato per cui la quantità tende a 0, dove {e} rappresenta i restanti membri di un insieme completo di variabili estese. Per convenzione, e in accordo con la meccanica statistica, il valore di questa costante universale S → S0 è considerato nullo. Poiché l'entropia è una funzione della temperatura che aumenta in modo monotono, questa convenzione implica che l'entropia è una quantità positiva. (∂tu/∂S)e{\ displaystyle {\ biggl (} \ parziale U / \ parziale S {\ biggr)} _ {e}}

  Spiegazione del terzo principio

  Il terzo principio della termodinamica è associato alla discesa verso il suo stato quantistico fondamentale di un sistema la cui temperatura si avvicina ad un limite che definisce la nozione di zero assoluto . Nella termodinamica classica questo principio viene utilizzato, per la costituzione di tabelle di dati termodinamici, per il calcolo dell'entropia molare S di una sostanza pura (per integrazione sulla temperatura, da S = 0 a 0  K ).

  Definizione assiomatica di termodinamica

  La termodinamica può essere definita matematicamente precisamente da un insieme di 4 assiomi (o postulati ). Questa definizione, detta assiomatica, dà un solido fondamento matematico ai principi della termodinamica e giustifica l'uso in termodinamica dei metodi del calcolo differenziale e del calcolo integrale.

  Postulato 1

  Gli stati di equilibrio macroscopici di qualsiasi sistema termodinamico sono completamente caratterizzati dalla specificazione dell'energia interna del sistema e da un numero finito di parametri estesi . tu{\ stile di visualizzazione U}X0,X1,X2,...,Xnon{\ stile di visualizzazione X_ {0}, X_ {1}, X_ {2}, ..., X_ {n}}

  Questo postulato permette di affermare l'esistenza della variabile di stato "energia interna", che è possibile rappresentare qualsiasi sistema sopra indicato, e che ogni sistema ha una varianza finita. È uno dei fondamenti del primo principio della termodinamica.

  Postulato 2

  Esiste una funzione chiamata entropia . L'entropia è funzione dei parametri estesi, è definita per tutti gli stati di equilibrio e ha la seguente proprietà: i valori assunti dei parametri estensivi in ​​assenza di vincoli esterni sono quelli che massimizzano l'entropia sugli stati di equilibrio vincolati molteplici . S{\ stile di visualizzazione S}

  Questo postulato è uno dei fondamenti del secondo principio della termodinamica.

  Postulato 3

  Quando l'entropia di ciascun sottosistema costituente è una funzione omogenea del primo ordine dei parametri estesi, l'entropia del sistema complessivo è la somma delle entropie dei sottosistemi costituenti. L'entropia è quindi continua e differenziabile ed è una funzione monotona crescente dell'energia.

  Questo postulato è uno dei fondamenti del secondo principio della termodinamica.

  Postulato 4

  L'entropia di qualsiasi sistema scompare nello stato per cui:

  T≡(∂tu/∂S)X1,X2,...=0{\ displaystyle T \ equiv {\ biggl (} \ parziale U / \ parziale S {\ biggr)} _ {X_ {1}, X_ {2}, ...} = 0}

  Questo postulato è un fondamento del secondo principio e permette di trovare il terzo.

  Note e riferimenti

  1. termodinamica è in particolare all'origine della termochimica .
  2. termodinamica è utilizzata nella spiegazione del " Big bang " e dell'evoluzione dell'universo .
  3. Calore , Encyclopædia Universalis .
  4. Laplace e Lavoisier, “  Memoria al caldo  ” , su lavoisier.cnrs.fr ,1780(consultato marzo 2021 ) .
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  6. Non è stato fino agli inizi del XX °  secolo con l'opera di Albert Einstein (1905) e Jean Perrin (1909), che sono scientificamente spiegato l'origine e le principali proprietà del moto browniano.
  7. Queste formule sono valide se solo gli shock hanno un'influenza sulle molecole e le altre interazioni sono trascurabili. Ciò presuppone una pressione relativamente bassa, tipicamente inferiore a 10 atmosfere.
  8. Bonnefoy 2016 , p.  3-6.
  9. Sadi Carnot, Riflessioni sulla forza motrice del fuoco , Parigi, Bachelier,1824( leggi in linea ).
  10. Piuttosto che "forza motrice", diciamo oggi che le macchine termiche forniscono lavoro , e ci chiediamo come utilizzare il calore per produrre lavoro continuo.
  11. Le quattro fasi del ciclo di Carnot sono: compressione isotermica, compressione adiabatica, espansione isotermica, espansione adiabatica.
  12. Cleynen 2015 , pag.  161-165.
  13. Cleynen 2015 , pag.  155-157.
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  17. fucili ad aria compressa funzionano in modo simile: è la rapida espansione del gas che spinge il proiettile nella canna.
  18. Bonnefoy 2016 , p.  3.
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  24. Più in generale, qualsiasi variabile che sia il rapporto tra due variabili estensive è una variabile intensiva.
  25. Alcune grandezze fisiche immaginabili e misurabili non sono né estensive né intensive: è il caso, ad esempio, del quadrato del volume di un insieme di particelle.
  26. Brunet 2019 , p.  12-13.
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  32. Questo è vero a patto che non ci sia un fenomeno di massa-energia equivalenza E = mc 2 o anche da dire che la massa è energia.
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  38. Leborgne 2019 , p.  16-17.
  39. Leborgne 2019 , p.  23-25.

  Vedi anche

  Articoli Correlati

  • Storia della termodinamica classica
  • Storia della termodinamica e fisica statistica
  • Cronologia della termodinamica e fisica statistica
  • Teoria cinetica dei gas
  • Ciclo termodinamico
  • Trasferimento termico
  • Diagramma di fase
  • entropia
  • Neguentropia
  • Processo Isobarico e Processo Monobarico
  • Processo adiabatico
  • Termochimica

  link esterno

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  Bibliografia

  fonti

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