Termodinamica classica/Introduzione al corso

La termodinamica è la continuazione naturale della meccanica, e del confronto tra i modelli ideali studiati nella teoria e gli strumenti reali usati poi in laboratorio; per fare un esempio, il pendolo ideale, una volta lasciato oscillare isolato, continua a farlo fino a che non ci sia un intervento esterno. Sappiamo bene che, nella realtà, i pendoli si fermano in tempi anche relativamente brevi, a causa delle forze d'attrito tra il corpo appeso e l'aria.

Dalla fluidodinamica sappiamo che l'aria non è altro che un fluido, composto da un numero grandissimo di particelle che non hanno forma stabile, ma volume definito; un pendolo oscillante, quindi, si trova immerso in un fluido e, durante il suo continuo moto oscillatorio, avvengono numerosi urti, elastici e non, tra pendolo e particelle. Il risultato di un urto è, generalmente, la variazione dell'energia cinetica dei due oggetti in urto relativo: dal teorema dell'energia cinetica sappiamo che, a una variazione di energia cinetica, corrisponde un certo lavoro effettuato o subito dal corpo. Possiamo quindi dire che un pendolo, in moto oscillatorio a contatto con l'aria, cede continuamente energia all'ambiente circostante attraverso gli urti microscopici tra le particelle superficiali che compongono il pendolo e quelle libere dell'aria.

Il fermarsi del pendolo può, quindi, essere giustificato anche studiando il fenomeno sotto un punto di vista puramente meccanico. Quel che non ci si spiega è il secondo effetto del rallentare del pendolo: il fatto che questo si scaldi, a seconda anche del materiale di cui è formato. Ovviamente possiamo rendercene conto solo empiricamente, andando a toccare il pendolo e percependolo più caldo di quanto non fosse all'inizio. Questo fenomeno non possiamo spiegarlo solo con la meccanica: c'è bisogno di parlare di termodinamica.

Diremo che, quando il pendolo è in oscillazione, lo stato termodinamico dell'ambiente risulta alterato; per ora, questa espressione non vuol dire nulla, non sappiamo neanche cosa sia uno stato termodinamico, lo vedremo attentamente in seguito. Quando lo stato termodinamico dell'ambiente viene alterato, esso si ri-equilibra attraverso lo scambio di energia sotto forma di calore; tornando al nostro esempio del pendolo, possiamo quindi osservare due fenomeni distinti:

• perdita di energia meccanica del pendolo tramite urti e lavoro, alterando lo stato termodinamico;
• ritorno all'equilibrio termodinamico attraverso lo scambio di calore: l'aria, che ha ricevuto energia meccanica dal pendolo, la cede nuovamente ad esso attraverso calore, portando all'equilibrio termodinamico.

Sappiamo che, la presenza di lavoro, è determinata dalla variazione di una coordinata spaziale sotto l'effetto di una forza; su cosa basarci per identificare uno scambio di calore, non abbiamo parametri analitici a cui fare riferimento. Il parametro termodinamico che identifica gli scambi di calore attraverso la sua variazione è la temperatura, di cui tratteremo più approfonditamente in seguito.

Indicheremo il calore con la lettera $Q$ e il lavoro con $W$; analizzando i due processi che caratterizzano il fermarsi di un pendolo, vediamo che l'energia viene scambiata prima come lavoro, poi come calore. Potremo quindi dire:

$U=Q+L$

Questa espressione rappresenta il primo principio della termodinamica; ovviamente, abbiamo dato una rappresentazione descrittiva dei fenomeni che portano allo scambio di calore, e l'espressione nota come primo principio è in realtà:

$U=Q-L$

Anche questo verrà trattato più approfonditamente nei prossimi moduli.