Termodinamica: differenze tra le versioni
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=== Introduzione alla termodinamica classica ===
La termodinamica è lo studio dell'energia. Nello specifico, la termodinamica è lo studio del trasferimento di energia nei sistemi.
La termodinamica classica è composta da metodi e costrutti usati per contabilizzare l'energia di un sistema a livello macroscopico; si può pensare che sia un modo per contabilizzare l'energia. Si possono azzardare dei paragoni economici: come qualcuno gestisce il denaro per sfruttarlo nel miglior modo possibile, così i fisici lavorano allo scopo di sfruttare al meglio l'energia del sistema. Ma mentre il sistema economico deve lottare contro gli sprechi, la termodinamica ha nemici implacabili come l'entalpia e la irreversibilità. In entrambi i casi, una attenta adesione ad alcune semplici regole permette di migliorare l'uso delle risorse disponibili.<br />
Se la semplicità della termodinamica non convince gli studenti, allora occorre concentrarsi sull'importanza che oggi ha assunto il trasferimento di energia nel nostro pianeta. Fino a 150 anni fa, l'economia della Terra era basata sul lavoro dell'uomo e la macchina umana utilizzava principalmente i [[w:carboidrati|carboidrati]] come fonte di energia. L'unico ''carburante'' disponibile, se così lo possiamo chiamare, era il cibo che viene convertito in energia attraverso un complesso sistema di reazioni chimiche. La civiltà odierna ha bisogno di energia e deve fare i conti anche con la possibilità di fonti alternative e diversificate.<br />
La termodinamica viene in aiuto nel ritagliare nuovi spazi di efficienza. Le centrali sono gli impianti deputati a produrre energia ed a trasformarla nel modo ritenuto migliore. I razzi che trasferiscono i satelliti geostazionari su orbite prestabilite devono essere frutto di una attenta progettazione. La battaglia per l' energia non è ancora terminata.Capire cosa voglia dire sfruttamento razionale dell'energia è un passo significativo.
=== Forme di energia a livello macroscopico ===
Sarà principale interesse del lettore apprendere bene il concetto di energia prima di discuterlo in modo più approfondito. Per iniziare un corso di termodinamica è necessario interrogarsi sulle tre principali forme di energia che sono discusse in termodinamica a livello macro. Ne esistono parecchie altre, ma sempre legate ad un approfondimento ulteriore ed oggetto di studi più avanzati.
Il ''moto'' è la prima manifestazione dell'energia ed è anche una delle più facili da apprendere. L'energia cinetica è l'energia di una massa in movimento. Per capirsi con un esempio, una macchina in movimento possiede più energia cinetica di una macchina in quiete cioè immobile. Una macchina che corre alla velocità di 60 km/h ha più energia cinetica di una che viaggia ad una velocità di 30 km/h.
Il secondo tipo di energia è chiamato ''energia potenziale''. L'energia potenziale è quella di un corpo che viene sollevato ad una certa altezza. Una macchina all'altezza di 50 m ha più energia potenziale di una che è posta a 25 m di altezza. Questo concetto di energia potenziale si comprende meglio se immaginiamo di far cadere questa macchina. La prima impatterà da 50 con una energia maggiore di quella posta a 25 m, in quanto è stata accelerata per un tempo maggiore dalla forza di gravità.<br />La caduta di un corpo (o di un ''grave'', per usare un termine fisico più appropriato) ci dà la prima possibilità di capire il concetto di trasferimento o conversione di energia in un'altra forma di energia. Anche gli scienziati che devono cercare di progettare un razzo devono fare i conti con l'energia potenziale.
La terza ed ultima forma di energia, che poi è la più importante in termodinamica, è la temperatura. L'energia interna di un oggetto è misurata dalla sua temperatura. Un litro di acqua calda ha al suo interno una maggior temperatura di un litro di acqua fredda, quindi possiede più energia. L'energia interna è una misura dell'energia cinetica delle molecole e degli atomi che compongono la sostanza. Poiché ogni atomo o molecola agisce secondo proprie regole, questa energia interna è differente dall'energia cinetica associata al solido.<br />
L'energia interna della materia dipende dal moto delle molecole. Le molecole di un gas ad alta temperatura schizzano letteralmente urtando le pareti del recipiente e le altre molecole. Anche le molecole di un solido ad alta temperatura si muovono moltissimo, ma essendo vincolate con le altre molecole vibrano anziché spostarsi. In breve la termodinamica classica studia le succitate forme di energia.Quelle forme di energia possono trasferirsi sia attraverso i corpi sia attraverso i sistemi.
La termodinamica fornisce essenzialmente alcune definizioni necessarie per lo studio dei sistemi termodinamici. Due importanti regole riguardano un bilanciamento dell'energia disponibile e una regola chiave per capire la qualità dell'energia messa in gioco'. Capire il lavoro e le complesse regole che governano la termodinamica a livello macroscopico permette di avere a disposizione un interessante set di strumenti per analizzare una miriade di fenomeni, di problemi ingegneristici di una certa complessità ed anche problemi di tipo pratico.
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