TuttoScienza

A fondamento della termodinamica sono quattro postulati detti principi della termodinamica, numerati per ragioni storiche da 0 a 3.

Il PRINCIPIO ZERO si riferisce alla possibilità di definire la temperatura di un oggetto: un corpo caldo ha una temperature più alta di un corpo freddo e se fra i due corpi posti a contatto non c’è passaggio di calore, allora essi hanno la stessa temperatura.

Più rigorosamente, se due corpi A e B sono in equilibrio con un terzo corpo C (termometro), allora lo sono anche fra loro.

Nella sua sostanza, il PRIMO PRINCIPIO afferma che l’energia si conserva. Considerando tutti i contributi dati da flusso di calore, energia interna di un sistema e lavoro compiuto su o dal sistema, la variazione di energia che ha luogo nel sistema stesso durante una trasformazione qualsiasi, è uguale alla quantità di energia che il sistema riceve dall’ambiente (o gli cede).


Il primo principio, perciò, è un’estensione del principio di conservazione dell’energia meccanica: una parte di questa viene sempre dissipata in calore, ma l’energia complessiva sistema - ambiente rimane comunque costante.

Il SECONDO PRINCIPIO afferma che certe trasformazioni avvengono di preferenza in un verso piuttosto che nell’altro.

Il suo primo enunciato, detto enunciato di Kelvin, afferma che non è possibile realizzare una trasformazione dove il solo risultato sia l’assorbimento di calore da una riserva termica e la sua completa conversione in lavoro.

Esso sancisce l’impossibilità di convertire completamente il calore in lavoro: proprio in questa impossibilità sta una fondamentale asimmetria della natura.

L’altro enunciato, noto come enunciato di Clausius, afferma che non è possibile realizzare una trasformazione dove il solo risultato sia il trasferimento di calore da un corpo più freddo a un corpo più caldo.

Ciò esprime l’osservazione, basata sull’esperienza, che qualunque trasformazione naturale che implichi il trasferimento spontaneo di energia (cioè in assenza di un intervento esterno) si sviluppa in modo che il calore fluisca dal corpo caldo al freddo, non viceversa.

Si può dimostrare che i due enunciati sono equivalenti.

Il secondo principio della termodinamica può essere espresso ricorrendo a una grandezza termodinamica, l’entropia, che fornisce, in un certo senso, la misura del disordine di un sistema o, in altre parole, la qualità dell’energia che esso contiene: qualunque trasformazione spontanea è accompagnata da un’aumento dell’entropia complessiva del sistema e dell’ambiente che lo circonda (questo è l’enunciato formale del secondo principio, che riassume i precedenti enunciati).

Benché la quantità totale di energia si conservi, come sancisce il primo principio, ciò che si modifica irreversibilmente è la sua qualità.

In altre parole l’energia non si crea né si distrugge ma si deteriora, nel senso che una frazione sempre minore della stessa quantità di energia rimane utilizzabile.

Il secondo principio indica proprio la direzione verso la quale si muovono i vari processi di trasformazione naturale dell’energia affinché essa si deteriori sempre più.

Questa è la freccia del tempo: esso scorre inesorabilmente nella direzione in cui l’energia si degrada.

Il TERZO PRINCIPIO si occupa del comportamento della materia a bassa temperatura, affermando in particolare che non è possibile raggiungere la temperatura dello zero assoluto con un numero finito di passaggi.

Più semplicamente, volendo raffreddare la materia indefinitamente, riusciremo a farle raggiungere lo zero assoluto solo dopo un tempo infinitamente lungo.