Sistema termodinamico

Un sistema termodinamico è una porzione di spazio delimitata da confini reali o immaginari, all’interno della quale si studiano le trasformazioni di energia e materia, e che è soggetta alle leggi della termodinamica. Tali confini separano il sistema dall’ambiente esterno, e possono permettere o meno lo scambio di energia e/o materia con l’ambiente. Lo studio dei sistemi termodinamici è fondamentale in fisica, chimica, ingegneria e altre discipline scientifiche per comprendere e descrivere fenomeni naturali e processi tecnologici.

Quando pensiamo all’equilibrio termodinamico, possiamo immaginare un lago in una giornata calma: la superficie appare immobile, eppure sotto di essa le molecole d’acqua sono in continuo movimento. Questo esempio ci aiuta a comprendere come l’equilibrio macroscopico emerga da un incessante movimento microscopico. L’equilibrio termodinamico richiede tre condizioni fondamentali: l’equilibrio termico (temperatura uniforme), l’equilibrio meccanico (pressione uniforme) e l’equilibrio chimico (composizione uniforme).

Evoluzione del concetto di Sistema Termodinamico

Il concetto di sistema termodinamico, così come lo conosciamo oggi, è il risultato di un lungo processo evolutivo che ha attraversato diverse epoche storiche, riflettendo non solo lo sviluppo delle conoscenze scientifiche ma anche i cambiamenti nel modo di pensare e concepire la natura stessa.

Le Origini del Pensiero Sistemico nella Termodinamica

Nell’antichità, sebbene non esistesse ancora una definizione formale di sistema termodinamico, i filosofi greci avevano già iniziato a sviluppare l’idea di una natura costituita da elementi interconnessi. Empedocle, con la sua teoria dei quattro elementi (acqua, aria, fuoco e terra), propose uno dei primi modelli di come la materia potesse esistere in stati diversi e trasformarsi. Questa visione, per quanto primitiva rispetto agli standard moderni, rappresentava già un tentativo di sistematizzare i fenomeni naturali in un quadro coerente.

Durante il Medioevo, gli alchimisti svilupparono una comprensione pratica dei sistemi chiusi e aperti attraverso i loro esperimenti di distillazione e trasformazione dei materiali. I loro apparati, come l’alambicco, rappresentavano di fatto i primi esempi di sistemi termodinamici controllati, anche se mancava ancora una comprensione teorica dei principi sottostanti.

La Rivoluzione Scientifica e la Nascita del Concetto Moderno

Il XVII secolo segnò una svolta fondamentale con l’introduzione del metodo scientifico. Robert Boyle, attraverso i suoi esperimenti con la pompa pneumatica, fu tra i primi a studiare sistematicamente il comportamento di un sistema termodinamico isolato. I suoi studi sui gas rappresentarono un passo cruciale verso la comprensione di come un sistema potesse essere definito e studiato in modo rigoroso.

Un contributo fondamentale venne da Denis Papin che, nel 1679, inventò la pentola a pressione, un esempio pratico di sistema termodinamico chiuso che permetteva di osservare le relazioni tra pressione, temperatura e volume. Questo dispositivo apparentemente semplice rappresentò un importante punto di svolta nella comprensione dei sistemi termodinamici confinati.

L’Era della Macchina a Vapore e la Sistematizzazione Teorica

La Rivoluzione Industriale portò alla necessità di comprendere e ottimizzare il funzionamento delle macchine a vapore, spingendo gli scienziati a sviluppare una teoria più rigorosa dei sistemi termodinamici. Thomas Newcomen e James Watt non si limitarono a costruire macchine più efficienti, ma contribuirono indirettamente allo sviluppo di un nuovo modo di pensare ai sistemi termici come entità definite con confini precisi e proprietà misurabili.

Sadi Carnot introdusse il concetto rivoluzionario di ciclo termodinamico, considerando per la prima volta un sistema termodinamico come un’entità che poteva attraversare una serie di stati per poi tornare alle condizioni iniziali. Questo approccio sistematico allo studio delle trasformazioni termiche rappresentò una vera rivoluzione concettuale.

La Formalizzazione Matematica e la Teoria dei Sistemi

Nella seconda metà del XIX secolo, Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin) svilupparono un framework matematico rigoroso per descrivere i sistemi termodinamici. Clausius, in particolare, introdusse il concetto di “sistema” come un’entità definita da confini precisi attraverso i quali potevano avvenire scambi di energia e materia con l’ambiente circostante.

La teoria cinetica dei gas, sviluppata da James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann, fornì una base microscopica per comprendere il comportamento dei sistemi termodinamici. Questo approccio statistico permise di collegare le proprietà macroscopiche osservabili con il comportamento microscopico delle particelle che costituiscono il sistema.

L’Era Moderna e la Complessità

Il XX secolo ha visto un’espansione drammatica del concetto di sistema termodinamico. Lars Onsager sviluppò la termodinamica dei processi irreversibili, mostrando come i sistemi reali, lontani dall’equilibrio, potessero essere studiati in modo sistematico. Ilya Prigogine estese ulteriormente questa teoria, dimostrando come i sistemi aperti potessero spontaneamente evolversi verso stati di maggiore organizzazione.

La Teoria dei Sistemi Complessi e l’Emergenza

L’evoluzione del concetto di sistema termodinamico nel XX secolo è stata profondamente influenzata dalla teoria dei sistemi complessi. Questa nuova prospettiva ha permesso di comprendere come le proprietà emergenti di un sistema non possano essere dedotte semplicemente dalla somma delle proprietà delle sue parti. Per esempio, un organismo vivente rappresenta un sistema termodinamico di straordinaria complessità, dove l’interazione tra i vari componenti produce comportamenti che non potrebbero essere previsti studiando isolatamente le singole parti.

La teoria del caos, sviluppata nella seconda metà del XX secolo, ha aggiunto un’ulteriore dimensione alla nostra comprensione dei sistemi termodinamici. Edward Lorenz, studiando modelli meteorologici, scoprì che piccole variazioni nelle condizioni iniziali potevano portare a risultati drasticamente diversi nel lungo termine. Questo “effetto farfalla” ha rivelato una fondamentale imprevedibilità intrinseca in molti sistemi termodinamici reali.

L’Era Quantistica e i Sistemi Microscopici

L’avvento della meccanica quantistica ha rivoluzionato la nostra comprensione dei sistemi termodinamici su scala atomica e molecolare. Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger hanno dimostrato come i principi della termodinamica classica dovessero essere modificati quando si considerano sistemi microscopici. Il principio di indeterminazione di Heisenberg, in particolare, ha posto limiti fondamentali alla precisione con cui possiamo conoscere simultaneamente certe proprietà di un sistema quantistico.

John von Neumann ha fornito una formulazione matematica rigorosa della termodinamica quantistica, estendendo i concetti classici di entropia e temperatura al dominio quantistico. Questo lavoro ha posto le basi per la comprensione di fenomeni come la superconduttività e la superfluidità, dove gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica.

Sistemi Termodinamici nell’Era dell’Informazione

La fine del XX secolo ha visto emergere una nuova comprensione della relazione tra informazione e termodinamica. Il lavoro di Claude Shannon sulla teoria dell’informazione ha rivelato profonde connessioni tra l’entropia termodinamica e l’entropia dell’informazione. Rolf Landauer ha dimostrato che la manipolazione dell’informazione ha un costo energetico inevitabile, stabilendo un ponte fondamentale tra computazione e termodinamica.

Questa connessione ha portato allo sviluppo della “termodinamica dell’informazione”, un campo che studia come i principi termodinamici si applichino al processamento dell’informazione. Questo ha importanti implicazioni per il design di computer quantistici e per la comprensione dei limiti fondamentali della computazione.

I Sistemi Termodinamici nel XXI Secolo

L’inizio del XXI secolo ha visto un’ulteriore espansione del concetto di sistema termodinamico. I progressi nella nanotecnologia hanno permesso di manipolare e studiare sistemi su scale sempre più piccole, dove gli effetti quantistici e le fluttuazioni termiche diventano dominanti. Questo ha portato allo sviluppo della “termodinamica stocastica”, che fornisce un framework per comprendere il comportamento di sistemi microscopici soggetti a fluttuazioni casuali.

La crescente preoccupazione per i cambiamenti climatici ha anche portato a una nuova enfasi sullo studio dei sistemi termodinamici su scala planetaria. Il sistema climatico terrestre rappresenta uno dei sistemi termodinamici più complessi che conosciamo, caratterizzato da molteplici feedback e interazioni non lineari.

L’Integrazione dei Sistemi Termodinamici con altre Discipline

L’evoluzione del concetto di sistema termodinamico nel mondo contemporaneo si caratterizza per una crescente integrazione con altre discipline scientifiche. Questa convergenza sta portando a nuove e stimolanti prospettive sulla natura dei sistemi termodinamici e sulle loro applicazioni.

Nel campo della biologia molecolare, per esempio, stiamo assistendo a una rivoluzione nella comprensione di come i sistemi biologici mantengono il loro stato di non equilibrio. Le proteine, che possiamo considerare come minuscoli sistemi termodinamici, svolgono le loro funzioni attraverso cambiamenti conformazionali guidati da fluttuazioni termiche. La comprensione di questi processi sta aprendo nuove strade per lo sviluppo di farmaci e terapie innovative.

La scienza dei materiali sta beneficiando enormemente dalla nostra comprensione più sofisticata dei sistemi termodinamici. I materiali “intelligenti”, capaci di rispondere a stimoli ambientali modificando le proprie proprietà, rappresentano un esempio perfetto di come i principi termodinamici possano essere sfruttati per creare tecnologie innovative. Questi materiali potrebbero rivoluzionare settori come l’edilizia sostenibile e l’energia solare.

La Rivoluzione dei Sistemi Quantistici

Nel campo della computazione quantistica, il concetto di sistema termodinamico sta assumendo un ruolo centrale. I computer quantistici devono operare a temperature estremamente basse per mantenere la coerenza quantistica, e questo pone sfide uniche dal punto di vista termodinamico. La necessità di controllare con precisione questi sistemi ha portato allo sviluppo di nuove tecniche di raffreddamento e isolamento termico.

La termodinamica quantistica sta anche rivelando connessioni sorprendenti tra informazione, energia e entropia a livello microscopico. Gli esperimenti con singoli atomi e molecole stanno dimostrando come i principi termodinamici si manifestino nel mondo quantistico, spesso in modi controintuitivi che sfidano la nostra comprensione classica.

Sistemi Termodinamici e Sostenibilità

La crisi climatica ha posto in primo piano l’importanza di comprendere i sistemi termodinamici su scala globale. L’atmosfera terrestre, gli oceani e la biosfera formano un sistema termodinamico complesso e interconnesso, il cui equilibrio è stato perturbato dalle attività umane. La comprensione di questi sistemi è fondamentale per sviluppare soluzioni efficaci al cambiamento climatico.

Le tecnologie per l’energia rinnovabile rappresentano un’applicazione pratica della nostra comprensione dei sistemi termodinamici. I pannelli solari, le turbine eoliche e le celle a combustibile sono tutti esempi di come i principi termodinamici possano essere sfruttati per produrre energia in modo sostenibile.

Il Futuro dei Sistemi Termodinamici

Il concetto di sistema termodinamico continua ad evolversi e ad espandersi in nuove direzioni. La ricerca sui materiali quantistici e sui dispositivi nanoelettronici sta spingendo i confini della nostra comprensione di come i principi termodinamici si applichino su scale sempre più piccole.

Guardando al futuro, possiamo identificare diverse aree promettenti per l’evoluzione del concetto di sistema termodinamico:

  • La termodinamica dei sistemi viventi continuerà a rivelare nuovi aspetti del funzionamento degli organismi biologici. La comprensione di come i sistemi biologici mantengono stati di non equilibrio potrebbe portare a breakthrough nel campo della medicina e della biotecnologia.
  • I sistemi termodinamici artificiali intelligenti, capaci di auto-organizzarsi e adattarsi all’ambiente, potrebbero rivoluzionare settori come l’energia e i trasporti. Questi sistemi potrebbero ottimizzare automaticamente il loro funzionamento in risposta a cambiamenti nelle condizioni ambientali.
  • La termodinamica dell’informazione quantistica promette di aprire nuove frontiere nella computazione e nella crittografia. La comprensione di come l’informazione e l’energia si intrecciano a livello quantistico potrebbe portare a tecnologie rivoluzionarie.

Classificazione dei sistemi termodinamici

I sistemi termodinamici si classificano in base ai tipi di scambio di materia ed energia con l’ambiente esterno.

Sistemi isolati

Un sistema termodinamico isolato si caratterizza per la sua completa separazione dall’ambiente circostante. Questo significa che attraverso i suoi confini non può avvenire alcuno scambio: né di energia (sotto forma di calore o lavoro), né di materia. È come se immaginassimo una scatola perfettamente sigillata, impenetrabile a qualsiasi forma di interazione con l’esterno.

Per capire meglio questo concetto, possiamo pensare all’analogia di una bottiglia termica ideale. Mentre una comune bottiglia termica reale permette sempre un certo scambio di calore con l’ambiente, una bottiglia termica teoricamente perfetta manterrebbe il suo contenuto completamente isolato dall’ambiente esterno, senza alcuna possibilità di scambio termico o di materia.

Rappresenta un limite teorico imprescindibile per la comprensione e la formulazione delle leggi della termodinamica. Anche se nella realtà l’isolamento perfetto è estremamente difficile (se non impossibile) da ottenere, lo studio di sistemi idealmente isolati costituisce un punto di partenza fondamentale per comprendere i principi di conservazione dell’energia e dell’evoluzione spontanea verso l’equilibrio termodinamico.

Caratteristiche di un sistema isolato

Le caratteristiche distintive di un sistema isolato hanno profonde implicazioni per il suo comportamento:

  • Nessuno scambio di energia: L’energia totale del sistema rimane costante nel tempo, in accordo con il primo principio della termodinamica. Questo significa che l’energia può trasformarsi da una forma all’altra all’interno del sistema, ma la somma totale delle diverse forme di energia deve rimanere invariata.
  • L’entropia del sistema può solo aumentare o, al limite, rimanere costante, mai diminuire. Questa è una conseguenza diretta del secondo principio della termodinamica e determina la direzione naturale dei processi che possono avvenire all’interno del sistema.
  • Nessuno scambio di materia: La massa del sistema rimane costante nel tempo.
  • Eventuali modifiche (variazioni di temperatura, pressioni interne, trasformazioni chimiche, reazioni) avvengono solo all’interno del sistema, senza scambi con l’esterno.
  • Difficoltà di realizzazione pratica
    Nella realtà, è quasi impossibile ottenere un isolamento perfetto: esistono sempre scambi di energia sotto forma di radiazione, conduzione termica o dispersione attraverso le pareti. Per questo motivo, un sistema isolato è un concetto ideale di grande utilità teorica.

Esempi e implicazioni

  1. L’Universo come sistema isolato
    In cosmologia, l’Universo nel suo complesso viene spesso considerato come l’esempio principale di sistema isolato, poiché non si conosce nulla “al di fuori” di esso con cui possa scambiare materia o energia. Questa ipotesi permette di applicare i principi della termodinamica a livello cosmologico (ad esempio, discutendo dell’evoluzione termica e dell’aumento di entropia su scala universale).
  2. Contenitori idealmente isolati
    • Thermos o Dewar: dispositivi progettati per minimizzare gli scambi di calore con l’esterno; in termini pratici, rappresentano un’approssimazione di sistema isolato.
    • Esperimenti di laboratorio: si realizzano sistemi “quasi isolati” per studiare processi termodinamici in condizioni controllate, riducendo al minimo le dispersioni. Anche in questi casi, però, l’isolamento non è mai perfetto.
  3. Trasformazioni interne e stato di equilibrio
    In un sistema isolato, tutte le trasformazioni che avvengono al suo interno (reazioni chimiche, cambi di fase, rimescolamenti, ecc.) non sono influenzate dall’esterno. Col passare del tempo, il sistema tende ad evolvere spontaneamente fino a raggiungere un equilibrio termodinamico, caratterizzato da:
    • Uniformità della temperatura;
    • Pressione uniforme (se il volume è unificato);
    • Assenza di potenziali chimici “sbilanciati” (equilibrio chimico).
    A mano a mano che si avvicina all’equilibrio, l’entropia totale del sistema tende a un valore massimo (o quantomeno stabile in caso di processi reversibili).

Descrizione statistica e meccanica statistica

Nella meccanica statistica, un sistema isolato è descritto come un insieme di particelle che ha un’energia totale fissa e un numero di particelle fisso. L’analisi statistica:

  • Microstati: ciascun microstato compatibile con l’energia totale del sistema ha la stessa probabilità di essere realizzato (se si assume l’ipotesi ergodica).
  • Entropia: è legata al logaritmo del numero di microstati compatibili con quella data energia ($S = k_B \ln \Omega$). Il fatto che il sistema non scambi energia con l’esterno implica che l’insieme dei microstati corrispondenti a quell’energia totale rimanga fissato (se non consideriamo eventuali modifiche di volume, reazioni interne, ecc.).

Sistemi chiusi

Un sistema chiuso scambia energia con l’ambiente esterno, ma non scambia materia. La caratteristica distintiva di questi sistemi risiede nella natura selettiva dei loro confini. Immaginiamo questi confini come membrane intelligenti che permettono il passaggio di energia in varie forme – calore, lavoro, radiazione elettromagnetica – ma impediscono categoricamente il trasferimento di materia. Questa proprietà ha implicazioni profonde sul comportamento del sistema e sulle leggi che lo governano.

  • L’energia può attraversare i confini del sistema in modi diversi, ciascuno con le sue peculiarità: Il calore rappresenta il trasferimento di energia termica dovuto a una differenza di temperatura tra il sistema e l’ambiente. Questo processo segue sempre la direzione dalla temperatura più alta a quella più bassa, a meno che non intervengano fattori esterni.
  • Il lavoro meccanico può manifestarsi in varie forme: compressione, espansione, deformazione, o movimento. Pensate a un pistone che comprime un gas: sta compiendo lavoro sul sistema senza trasferire materia.
  • La radiazione elettromagnetica, che include la luce visibile e altre forme di radiazione, può attraversare i confini del sistema portando con sé energia senza necessità di un mezzo materiale.

Un aspetto fondamentale dei sistemi chiusi è la conservazione della massa. Poiché non c’è scambio di materia con l’esterno, la massa totale del sistema rimane invariata nel tempo. Questo principio, apparentemente semplice, ha conseguenze profonde: ogni trasformazione che avviene all’interno del sistema deve conservare la massa totale, anche quando la materia cambia stato o forma.

Caratteristiche di un sistema chiuso

  1. Massa del sistema costante
    Poiché non avviene scambio di materia con l’ambiente, la quantità di sostanza (o massa) presente all’interno del sistema rimane invariata nel tempo.
  2. Possibile scambio di energia
    Sebbene la massa rimanga costante, il sistema può ricevere o cedere calore (Q) e/o compiere lavoro (L) verso l’ambiente. In questo modo, l’energia interna del sistema (U) può variare in funzione degli scambi energetici con l’esterno.
  3. Bilancio energetico
    In un sistema chiuso, il Primo principio della termodinamica (conservazione dell’energia) si può scrivere come: $Delta U = Q – L$, dove:
    • $\Delta U$ rappresenta la variazione di energia interna del sistema;
    • $Q$ è il calore scambiato con l’ambiente (positivo se assorbito dal sistema, negativo se ceduto);
    • $L$ è il lavoro fatto dal sistema sull’ambiente (positivo se il sistema compie lavoro sull’esterno, negativo se lo subisce).
  4. Variazione delle grandezze di stato
    La temperatura, la pressione e il volume (se variabile) possono cambiare nel corso dei processi termodinamici, purché la massa rimanga la stessa e i flussi di energia siano coerenti con le condizioni al contorno.

Relazione con le leggi della termodinamica

  1. Primo principio
    Per un sistema chiuso, la variazione di energia interna è data dal bilancio tra il calore assorbito e il lavoro compiuto.
  2. Secondo principio
    Nella descrizione del Secondo principio (che riguarda l’evoluzione spontanea dei processi e l’aumento di entropia nei sistemi isolati), un sistema chiuso non può controllare l’evoluzione dell’entropia complessiva dell’universo, ma all’interno del sistema stesso l’entropia può aumentare o diminuire a seconda dello scambio di energia e dell’eventuale irreversibilità dei processi. Bisogna comunque considerare l’entropia totale (sistema + ambiente).
  3. Terzo principio
    Il Terzo principio (relativo al comportamento dell’entropia a temperature prossime allo zero assoluto) vale sia per sistemi chiusi sia per qualsiasi altro tipo di sistema, ma in pratica non richiede accorgimenti particolari nella definizione di un sistema chiuso rispetto ad altri.

Esempi di sistemi chiusi

  1. Bombola di gas a volume variabile o costante
    Una bombola di gas sigillata che non consente la fuoriuscita di materia è un classico esempio di sistema chiuso. Se la bombola è in contatto termico con l’esterno, può scambiare calore; inoltre, se il pistone (o la parete superiore) può muoversi, il sistema può svolgere lavoro sull’esterno o ricevere lavoro. La massa di gas, però, rimane la stessa.
  2. Recipiente con un liquido in evaporazione, ma sigillato
    Anche se si verifica un passaggio di fase (ad esempio da liquido a vapore), non c’è scambio di materia con l’esterno perché il contenitore è sigillato. In tal caso, esiste comunque la possibilità di scambiare calore con l’ambiente se il recipiente non è perfettamente isolato.
  3. Processo di compressione o espansione di un gas in un cilindro chiuso
    Quando si comprime (o espande) un gas in un cilindro chiuso munito di pistone, la quantità di sostanza rimane la stessa, ma può esserci un notevole scambio di energia sotto forma di lavoro. Se le pareti sono conduttive, si può scambiare anche calore.

Sistemi aperti

Un sistema aperto scambia sia energia che materia con l’ambiente esterno. Esempi comuni includono motori a combustione interna, organismi viventi e fiumi. Questi sistemi sono i più complessi da analizzare, poiché le interazioni con l’ambiente esterno possono essere molto variabili.

Il sistema termodinamico aperto è il più “dinamico” e comune in ambito ingegneristico e naturale, poiché la maggior parte dei dispositivi reali (turbine, motori, compressori, scambiatori di calore) scambia costantemente materia ed energia con l’esterno.

  • L’analisi di tali sistemi richiede l’uso di bilanci di massa (entrate e uscite di fluido), oltre ai bilanci di energia (calore, lavoro, entalpia, ecc.).
  • La descrizione può avvenire in regime stazionario (flussi costanti nel tempo) o in regime dinamico (condizioni variabili).
  • I principi fondamentali della termodinamica (primo e secondo principio) si applicano in forma adatta ai “controlli di volume” che racchiudono il sistema aperto e tengono conto dei flussi di massa ed energia in ingresso e in uscita.

In definitiva, i sistemi aperti sono centrali per la comprensione e la progettazione dei processi industriali, delle macchine termiche e di buona parte delle applicazioni reali della termodinamica.

Caratteristiche di un sistema aperto

  1. Scambio di materia con l’ambiente
    In un sistema aperto, il flusso di materia può entrare o uscire (o entrambi) dal sistema. Ciò rende necessario considerare bilanci di massa in aggiunta ai bilanci di energia.
  2. Scambio di energia con l’ambiente
    Oltre allo scambio di calore e/o di lavoro, la materia che fluisce attraverso il sistema può portare con sé energia in forme diverse (energia interna, entalpia, energia cinetica, energia potenziale, ecc.).
  3. Sistema dinamico
    Poiché la materia entra ed esce continuamente (o variabilmente) dal sistema, le condizioni termodinamiche (pressione, temperatura, composizione, ecc.) possono variare nel tempo e nello spazio. In molti casi pratici (specialmente nell’industria), si considerano condizioni di regime stazionario (steady-state), nelle quali le variabili macroscopiche del sistema non cambiano nel tempo, pur essendoci flussi in entrata e in uscita.

Relazione con il Secondo principio

Il Secondo principio della termodinamica, che riguarda l’entropia, può essere applicato anche ai sistemi aperti. A livello di sistema + ambiente, l’entropia complessiva non può diminuire. Nella pratica, si eseguono bilanci di entropia (entro certi confini detti “control volume”), considerando i flussi entropici in ingresso, in uscita, il calore scambiato e l’eventuale produzione interna di entropia dovuta a irreversibilità (attriti, perdite di carico, reazioni chimiche, ecc.).

Esempi di sistemi aperti

  1. Turbine a vapore o a gas
    Nelle turbine, un fluido (vapore o gas caldo) entra, si espande facendo ruotare l’albero (produzione di lavoro meccanico), quindi esce dal sistema. Qui la portata di massa in ingresso è (in condizione stazionaria) uguale a quella in uscita.
  2. Compressori e pompe
    Analogamente, in un compressore o in una pompa, un fluido entra a una certa pressione (o altezza nel caso di una pompa), e viene portato a una pressione (o quota) maggiore con un consumo di lavoro (l’albero della macchina assorbe potenza meccanica).
  3. Scambiatori di calore
    Nel caso di uno scambiatore di calore, due correnti di fluido a temperature diverse scorrono all’interno di un apparecchio, scambiandosi calore senza miscelarsi. Non vi è (in genere) lavoro, ma c’è un significativo scambio di energia termica.
  4. Motori a combustione interna
    In un motore a combustione interna (ad esempio un motore d’auto), aria e combustibile entrano nei cilindri, avviene la combustione (reazione chimica, quindi variazione di composizione), e i gas di scarico vengono espulsi.
  5. Torri di raffreddamento, caldaie, condensatori
    Tutti i dispositivi in cui il fluido di processo è in continuo passaggio, con cambiamenti di temperatura e/o fase, costituiscono esempi di sistemi aperti.

Sistemi aperti in regime stazionario e non stazionario

  • Regime stazionario (steady-state):
    Le portate di massa e i parametri termodinamici (pressione, temperatura, entalpia, ecc.) in ingresso e in uscita sono costanti nel tempo. Molte analisi ingegneristiche si svolgono in condizioni di steady-state perché semplificano molto i calcoli e riflettono la maggior parte delle operazioni industriali a regime continuo.
  • Regime transitorio (o dinamico):
    Il sistema può variare nel tempo (ad esempio durante l’avviamento o l’arresto di un impianto, oppure a fronte di variazioni di carico). In questo caso, i bilanci di massa ed energia dovranno essere scritti in forma differenziale, tenendo conto dell’accumulo (o deplezione) di materia ed energia all’interno del sistema.

Sistemi adiabatici

Un sistema termodinamico adiabatico è un sistema che non scambia calore con l’ambiente esterno, pur potendo tuttavia compiere o subire lavoro (quindi c’è un possibile scambio di energia in forme diverse dal calore). La parola “adiabatico” deriva dal greco ἀ-διά-βατος (“che non si può attraversare”), a sottolineare l’impossibilità dello scambio termico attraverso i confini del sistema.

  • In regime reversibile, il processo adiabatico è anche isoentropico (l’entropia resta costante).
  • In regime irreversibile, l’entropia interna aumenta pur non essendoci scambi di calore con l’ambiente.

Caratteristiche principali di un sistema adiabatico

  1. Nessuno scambio di calore ($Q = 0$)
    La proprietà fondamentale di un sistema adiabatico è che non avviene trasferimento di energia per effetto di una differenza di temperatura con l’ambiente. In altre parole, tutte le pareti del sistema sono adiabatiche, cioè non consentono il passaggio di calore.
  2. Possibile scambio di lavoro ($L \neq 0$)
    Sebbene non ci sia scambio di calore, il sistema può eseguire (o subire) lavoro meccanico, elettrico, ecc. Ad esempio, se il sistema contiene un gas in un cilindro con un pistone mobile, il gas può comprimersi o espandersi, compiendo lavoro sul pistone o ricevendo lavoro da una forza esterna.
  3. Massa del sistema
    Essere adiabatico non implica necessariamente che il sistema non scambi materia. In genere, tuttavia, un “processo adiabatico” è spesso studiato in un sistema chiuso, così da considerare più facilmente gli effetti di compressione o espansione. Ma la condizione chiave è l’assenza di scambi di calore, indipendentemente dal fatto che il sistema sia aperto o chiuso.

Adiabatismo vs. Isolamento

Spesso si fa un po’ di confusione tra un sistema adiabatico e un sistema isolato:

  • Sistema adiabatico: non scambia calore con l’ambiente. Tuttavia, può scambiare lavoro e, a seconda delle definizioni specifiche, anche massa (se si tratta di un sistema aperto).
  • Sistema isolato: non scambia né energia (di qualunque tipo) né materia con l’ambiente. Un sistema isolato è quindi anche adiabatico (non scambia calore), ma in più non permette nemmeno lavoro, radiazione o materia in ingresso o in uscita.

Esempi e applicazioni

  1. Espansione o compressione adiabatica in un cilindro
    Uno degli esempi più classici è la compressione rapida (o espansione rapida) di un gas in un cilindro isolato termicamente. Se il processo è abbastanza veloce da non consentire lo scambio di calore con l’ambiente, si definisce “adiabatico”. Questo fenomeno si studia, ad esempio, nei cicli termodinamici dei motori a combustione interna (fase di compressione o espansione quasi adiabatica).
  2. Macchine termiche e compressori
    Nella turbina a gas o nei compressori, si cerca di realizzare l’espansione o la compressione del fluido in modo idealmente adiabatico, anche se nella pratica qualche scambio termico si ha sempre. Le fasi considerate “adiabatiche” sono comunque un’ottima approssimazione nei calcoli teorici per analizzare il rendimento.
  3. Processi adiabatici in fisica atmosferica
    Nello studio dell’atmosfera, la salita di una massa d’aria (ad esempio in una corrente ascensionale) può avvenire con uno scambio di calore trascurabile rispetto alla velocità di movimento, dunque approssimabile come processo adiabatico. Questo porta alla cosiddetta variazione adiabatica di temperatura con la quota, fondamentale per capire fenomeni come la formazione di nuvole o la stabilità atmosferica.
  4. Bombe calorimetriche (approssimazione)
    In alcuni esperimenti di calorimetria (come la “bomba calorimetrica”), si cerca di isolare termicamente il recipiente in cui avviene la reazione per misurare il calore sviluppato. Non è un sistema perfettamente adiabatico, perché l’energia prodotta deve essere misurata, ma il concetto di isolamento termico è fondamentale per minimizzare le perdite di calore verso l’ambiente e ottenere dati precisi.

Parametri descrittivi di un sistema termodinamico

Ogni sistema termodinamico può essere descritto da una serie di variabili di stato che ne caratterizzano le proprietà macroscopiche. Tali variabili possono essere suddivise in:

Variabili intensive

Le variabili intensive sono indipendenti dalla quantità di materia presente nel sistema. Esempi includono:

  • Pressione
  • Temperatura
  • Densità

Variabili estensive

Le variabili estensive dipendono dalla quantità di materia presente. Esempi includono:

  • Volume
  • Energia interna
  • Massa

Le variabili estensive possono essere trasformate in variabili intensive dividendo per la quantità di materia o volume.

Funzioni di stato

Le funzioni di stato descrivono lo stato di equilibrio di un sistema e dipendono solo dalla condizione attuale del sistema, non dal percorso attraverso cui esso è giunto a quella condizione. Esempi includono l’energia interna, l’entalpia, e l’entropia.

Confini di un sistema termodinamico

I confini di un sistema termodinamico possono essere:

  • Fissi o mobili: i confini mobili possono variare per espansione o compressione.
  • Rigidi o deformabili: i confini deformabili possono essere influenzati da forze esterne.
  • Permeabili o impermeabili: i confini permeabili permettono il passaggio di materia, quelli impermeabili no.
  • Adiabatizzati o conduttivi: i confini adiabatici non permettono il passaggio di calore, mentre quelli conduttivi lo permettono.

Equilibrio di un sistema termodinamico

Un sistema è in equilibrio termodinamico se tutte le sue proprietà macroscopiche sono costanti nel tempo e se le forze termiche, chimiche e meccaniche interne si bilanciano perfettamente. L’equilibrio può essere suddiviso in:

  • Equilibrio termico: la temperatura è uniforme in tutto il sistema.
  • Equilibrio meccanico: non vi sono gradienti di pressione.
  • Equilibrio chimico: non avvengono reazioni chimiche spontanee o variazioni nella composizione chimica.

Trasformazioni termodinamiche di un sistema

Le trasformazioni termodinamiche rappresentano il percorso attraverso il quale un sistema passa da uno stato di equilibrio a un altro. Queste trasformazioni possono essere più o meno rapide, più o meno reversibili, ma tutte seguono leggi precise che governano il comportamento della materia e dell’energia. È come se la natura avesse scritto un libro di regole che determina come l’energia può fluire e trasformarsi.

Tali trasformazioni possono essere classificate come:

  • Isoterme: avvengono a temperatura costante.
  • Isocore: avvengono a volume costante.
  • Isobare: avvengono a pressione costante.
  • Adiabatiche: non vi è scambio di calore.

Applicazioni

I sistemi termodinamici sono alla base di numerose applicazioni pratiche, tra cui:

  • Progettazione di motori e turbine.
  • Studio delle reazioni chimiche.
  • Modellazione di processi biologici.
  • Analisi climatica e meteorologica.

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