PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

In ogni sistema è contenuta una certa quantità di energia, in varie forme, che viene
perciò definita energia interna del sistema. In un gas questa energia è
essenzialmente l'energia cinetica totale delle molecole in movimento.
Esistono due modi per modificare l'energia interna di un corpo: fornendo calore o compiendo un
lavoro sul sistema.
Sappiamo che l'energia interna del gas dipende dalla sua temperatura, infatti maggiore è
questa e più velocemente le molecole del gas si muovono. Quando forniamo calore ad un
gas vediamo che la sua temperatura aumenta, quindi aumenta anche la sua energia interna. Allo stesso
modo se comprimiamo il gas, facendo quindi lavoro sul sistema, aumentiamo la sua energia interna.
Da qui muove il primo principio della termodinamica, che non è altro se non una generalizzazione
del principio di conservazione dell'energia: DU= Q-L dove DU è la variazione di energia interna del gas, Q il calore
scambiato (positivo se assorbito e negativo se ceduto) e L è il lavoro compiuto dal sistema
(positivo se compiuto dal sistema, negativo se subito).È quindi possibile analizzare nuovamente le tre trasformazioni considerate nelle pagine
precedenti alla luce di questo principio ed aggiungerne un'altra:
Trasformazione isoterma. In questo caso la temperatura del gas non
varia e quindi nemmeno la sua energia interna. Possiamo quindi scrivere:Q-L=0 Q=L Tutto il calore che viene fornito al sistema si converte completamente in calore e viceversa.
Trasformazione isocora. In questa trasformazione il volume resta
costante, quindi il gas non compie nessun lavoro. Il primo principio diventa: DU=Q Tutto il calore che viene fornito al gas va a variare la sua energia interna e quindi la sua
temperatura. Viceversa se il sistema cede calore, la sua energia interna diminuisce e quindi il
gas si raffredda.
Trasformazione isobara. In questa situazione non vi è nessuna
grandezza che si conservi: infatti il sistema compie o subisce lavoro, assorbe o cede calore e quindi
la sua energia interna e la sua temperatura variano. In questo caso è però molto semplice
calcolare il lavoro, che, come si può dimostare, è dato dal prodotto tra la variazione
di volume e la pressione:L=P x DV
Trasformazione adiabatica. Se il sistema è termodinamicamente
isolato dall'ambiente, ossia se non vi sono scambi di calore con l'esterno, si può scrivere: DU=-L In questo caso tutto il lavoro compiuto dal gas va a discapito della sua energia interna.
Con passaggi fisico-matematico affatto semplici si può dimostrare che in una trasformazione
adiabatica pressione e volume sono legati da una relazione esponenziale del tipo: DU=-L Ognuna delle simulazioni seguenti riguardano una particolare trasformazione termodinamica.
Il sistema analizzato è un cilindro chiuso alla sommitò con un pistone libero
di muoversi. A sinistra è rappresentato appunto questo pistone. Al centro vi è un grafico
p-V dove viene rappresentato lo stato del gas in ogni momento. A destra infine vi è un
grafico che riporta le caratteristiche energetiche del sistema, secondo il primo principio:
variazione di energia interna, calore e lavoro.