Termodinamica, cos'è e sue applicazioni
La termodinamica è una scienza basata sullo studio dell'energia. I processi termodinamici si verificano quotidianamente nella vita di tutti i giorni, nelle case, nell'industria, con la trasformazione dell'energia, come nelle apparecchiature di condizionamento dell'aria, frigoriferi, automobili, caldaie, tra gli altri. Da qui l'importanza dello studio della Termodinamica, basato su quattro leggi fondamentali che stabiliscono le relazioni tra la qualità e la quantità dell'energia, e le proprietà termodinamiche.
Per comprendere le leggi della Termodinamica, in modo semplice, devi partire da alcuni concetti di base che vengono esposti di seguito, come energia, calore, temperatura, tra gli altri.
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Termodinamica
Un po' di storia:
La termodinamica studia gli scambi e le trasformazioni dell'energia nei processi. Già nel 1600 Galileo iniziò a svolgere studi in questa zona, con l'invenzione del termometro in vetro, e il rapporto tra la densità di un fluido e la sua temperatura.
Con la rivoluzione industriale, vengono effettuati studi per conoscere le relazioni tra calore, lavoro ed energia dei combustibili, nonché per migliorare le prestazioni delle macchine a vapore, emergendo la termodinamica come scienza di studio, dal 1697 con la macchina a vapore di Thomas Savery. La prima e la seconda legge della termodinamica furono stabilite nel 1850. Molti scienziati come Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, tra gli altri, contribuirono allo sviluppo di questa scienza, la "Termodinamica".
Cos'è la termodinamica?
La termodinamica è una scienza che studia le trasformazioni energetiche. Poiché inizialmente si studiava come trasformare il calore in energia, nelle macchine a vapore, le parole greche "thermos" e "dynamis" furono usate per denominare questa nuova scienza, formando la parola "termodinamica". Vedi figura 1.
Applicazioni termodinamiche
Il campo di applicazione della termodinamica è molto ampio. La trasformazione dell'energia avviene in molteplici processi dal corpo umano, con la digestione del cibo, anche in numerosi processi industriali per la produzione di prodotti. Nelle case ci sono anche dispositivi in cui la termodinamica viene applicata a ferri da stiro, scaldabagni, condizionatori d'aria, tra gli altri. I principi della termodinamica vengono applicati anche in un'ampia varietà di campi, come centrali elettriche, automobili e razzi. Vedi figura 2.
Nozioni di base di Termodinamica
Energia (E)
Proprietà di qualsiasi corpo o sistema materiale o immateriale che può essere trasformato modificando la sua situazione o stato. È anche definito come il potenziale o la capacità di spostare la materia. Nella figura 3 puoi vedere alcune fonti di energia.
Forme di energia
L'energia si presenta in molte forme, come l'energia eolica, elettrica, meccanica, nucleare, tra le altre. Nello studio della termodinamica vengono utilizzate l'energia cinetica, l'energia potenziale e l'energia interna dei corpi. L'energia cinetica (Ec) è correlata alla velocità, l'energia potenziale (Ep) con l'altezza e l'energia interna (U) con il movimento delle molecole interne. Vedi figura 4.
Calore (Q):
Trasferimento di energia termica tra due corpi che si trovano a temperature diverse. Il calore viene misurato in Joule, BTU, libbra-piedi o calorie.
Temperatura (T):
È una misura dell'energia cinetica degli atomi o delle molecole che compongono qualsiasi oggetto materiale. Misura il grado di agitazione delle molecole interne di un oggetto, della sua energia termica. Maggiore è il movimento delle molecole, maggiore è la temperatura. Viene misurato in gradi Celsius, gradi Kelvin, gradi Rankine o gradi Fahrenheit. Nella figura 5 viene presentata l'equivalenza tra alcune scale di temperatura.
Principi termodinamici
Lo studio delle trasformazioni energetiche in termodinamica si basa su quattro leggi. La prima e la seconda legge sono relative alla qualità e alla quantità di energia; mentre la terza e la quarta legge sono legate alle proprietà termodinamiche (temperatura ed entropia). Vedere le figure 6 e 7.
Prima legge della termodinamica:
La prima legge stabilisce il principio di conservazione dell'energia. L'energia può essere trasferita da un corpo all'altro o modificata in un'altra forma di energia, ma viene sempre conservata, quindi la quantità totale di energia rimane sempre costante.
Una rampa di pattinaggio è un buon esempio della Legge di Conservazione dell'energia, dove si trova che l'energia non viene creata o distrutta, ma viene trasformata in un altro tipo di energia. Per uno skater come quello in figura 8, quando influenza solo la forza gravitazionale, dobbiamo:
- Posizione 1: Quando il pattinatore è in cima alla rampa, ha energia interna ed energia potenziale dovuta all'altezza a cui si trova, ma la sua energia cinetica è zero poiché non è in movimento (velocità = 0 m / s).
- Posizione 2: Quando il pattinatore inizia a scivolare giù dalla rampa, l'altezza diminuisce, diminuendo l'energia interna e l'energia potenziale, ma aumentando la sua energia cinetica, all'aumentare della sua velocità. L'energia si trasforma in energia cinetica. Quando il pattinatore raggiunge il punto più basso della rampa (posizione 2), la sua energia potenziale è zero (altezza = 0 m), mentre acquisisce la velocità più alta nel suo viaggio lungo la rampa.
- Posizione 3: Man mano che la rampa sale, il pattinatore perde velocità, diminuendo la sua energia cinetica, ma l'energia interna aumenta e l'energia potenziale, man mano che guadagna altezza.
Seconda legge della termodinamica:
La seconda legge è relativa alla "qualità" dell'energia, nell'ottimizzazione della conversione e / o trasmissione dell'energia. Questa legge stabilisce che nei processi reali la qualità dell'energia tende a diminuire. Viene introdotta la definizione della proprietà termodinamica "entropia". Negli enunciati della seconda legge si stabilisce quando può avvenire un processo e quando no, anche se la prima legge continua ad essere rispettata. Vedi figura 9.
Legge zero:
La legge zero afferma che se due sistemi sono in equilibrio con un terzo sono in equilibrio tra loro. Ad esempio, per la Figura 10, se A è in equilibrio termico con C e C è in equilibrio termico con B, allora A è in equilibrio termico con B.
Altri concetti della Termodinamica
Sistema
Parte dell'universo che interessa o studia. Per la tazzina di caffè in Figura 11, il "sistema" è il contenuto della tazzina (caffè) dove si può studiare il trasferimento di energia termica. Vedere la figura 12. [4]
Ambiente
È il resto dell'universo esterno al sistema in esame. Nella figura 12, la tazzina è considerata il "confine" che contiene il caffè (sistema) e ciò che è fuori dalla tazza (confine) è "l'ambiente" del sistema.
Equilibrio termodinamico
Stato in cui le proprietà del sistema sono ben definite e non variano nel tempo. Quando un sistema presenta equilibrio termico, equilibrio meccanico ed equilibrio chimico, è in “equilibrio termodinamico”. In equilibrio, un sistema non può modificare il suo stato a meno che un agente esterno non agisca su di esso. Vedere la figura 13.
muro
Entità che consente o impedisce le interazioni tra i sistemi. Se il muro consente il passaggio della sostanza, si dice che sia un muro permeabile. Una parete adiabatica è quella che non consente il trasferimento di calore tra due sistemi. Quando il muro permette il trasferimento di energia termica si parla di muro diatermico. Vedi figura 14.
Conclusioni
L'energia è la capacità di muovere la materia. Questo può essere trasformato modificando la sua situazione o stato.
La termodinamica è una scienza che studia gli scambi e le trasformazioni dell'energia nei processi. Lo studio delle trasformazioni energetiche in termodinamica si basa su quattro leggi. La prima e la seconda legge sono relative alla qualità e alla quantità di energia; mentre la terza e la quarta legge sono legate alle proprietà termodinamiche (temperatura ed entropia).
La temperatura è una misura del grado di agitazione delle molecole che compongono un corpo, mentre il calore è il trasferimento di energia termica tra due corpi che si trovano a temperature diverse.
L'equilibrio termodinamico esiste quando il sistema è simultaneamente in equilibrio termico, equilibrio meccanico ed equilibrio chimico.
Nota di ringraziamento: Per lo sviluppo di questo articolo abbiamo avuto l'onore di avere il consiglio del Ing. Marisol Pino, Specialista in Strumentazione e Controllo Industriale.