Il primo principio della termodinamica

Il Primo Principio della Termodinamica e il Concetto di Energia Termica

Il primo principio della termodinamica è una formulazione della legge di conservazione dell'energia che afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra o trasferita tra sistemi. In particolare, considera il calore come una forma di energia in transito. Quando, ad esempio, l'energia meccanica di un sistema viene ridotta a causa di forze dissipative come l'attrito, si verifica un corrispondente aumento dell'energia interna del sistema, che può manifestarsi come un aumento della temperatura o un cambiamento di stato fisico. Julius Mayer e James Prescott Joule hanno contribuito a stabilire una relazione quantitativa tra lavoro e calore, con Joule che ha determinato sperimentalmente il rapporto di conversione tra energia meccanica e calore attraverso il suo celebre esperimento del mulinello. Questo ha portato alla definizione dell'equivalente meccanico del calore, che stabilisce che 4.186 joule di lavoro sono necessari per aumentare la temperatura di un grammo d'acqua di 1 grado Celsius, valore noto come caloria. La costante di proporzionalità J, o equivalente meccanico del calore, è una costante fisica fondamentale che lega il lavoro meccanico al trasferimento di calore, permettendo di misurare l'energia termica in joule.

Calore, Temperatura e Capacità Termica

Il calore è energia in transito che si trasferisce tra corpi a differenti temperature, fino a quando non si raggiunge l'equilibrio termico. Il calore specifico è una proprietà fisica che indica la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado Celsius la temperatura di un kilogrammo di una sostanza. Questa proprietà varia in base alla sostanza e si misura in joule per kilogrammo per grado Celsius (J/(kg·°C)). La relazione tra il calore assorbito o ceduto da un corpo e la variazione di temperatura è espressa dalla formula Q=mcΔT, dove Q è il calore scambiato, c il calore specifico, m la massa e ΔT la variazione di temperatura. La capacità termica di un corpo è una grandezza che dipende dalla massa e dal calore specifico del materiale di cui è composto e indica la quantità di calore necessaria per variare la temperatura di un corpo di un grado Celsius.

Equilibrio Termico e Transizioni di Fase

Quando corpi a diverse temperature vengono posti in contatto, avviene uno scambio di calore fino al raggiungimento di una temperatura comune di equilibrio. La temperatura di equilibrio in un sistema isolato può essere calcolata con la formula T=(C1T1+C2T2+...+CnTn)/(C1+C2+...+Cn), dove Ci e Ti rappresentano rispettivamente la capacità termica e la temperatura iniziale di ogni corpo. Durante le transizioni di fase, come la fusione o l'evaporazione, il calore assorbito o rilasciato non provoca variazioni di temperatura ma viene utilizzato per superare le forze intermolecolari e cambiare la struttura interna della sostanza. Il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono le quantità di energia necessarie per cambiare lo stato di un kilogrammo di una sostanza alla sua temperatura di fusione o di ebollizione, rispettivamente.

Modalità di Trasferimento del Calore

Il calore si propaga a causa di una differenza di temperatura e può viaggiare attraverso la materia o anche nel vuoto. La conduzione è il trasferimento di calore che avviene nei solidi, dove il calore si trasmette attraverso le vibrazioni degli atomi e degli elettroni senza che vi sia spostamento di materia. La legge di Fourier quantifica il calore Q che attraversa una lastra omogenea in un intervallo di tempo Δt, in funzione dell'area A, della differenza di temperatura ΔT e dello spessore d della lastra, e dipende dalla conducibilità termica del materiale. La conducibilità termica è una proprietà che indica la facilità con cui il calore si propaga all'interno di un materiale; materiali con alta conducibilità sono considerati buoni conduttori di calore, mentre quelli con bassa conducibilità sono isolanti termici. Questa proprietà spiega perché alcuni materiali, come il metallo, sembrano più freddi al tatto rispetto ad altri, come il legno, a causa della loro maggiore capacità di condurre rapidamente il calore.