Sistema termodinamico: equilibri e processi

Un sistema termodinamico è una parte del mondo fisico costituita da un numero significativamente elevato di particelle oggetto di  studio per quanto attiene le proprietà fisiche macroscopiche e le loro eventuali variazioni. Ciò che è fuori del sistema è chiamato ambiente circostante e la superficie che separa il sistema e l’ambiente circostante è chiamata confine.

Un sistema termodinamico ideale è un sistema modello con semplificazioni per rappresentare un sistema reale che può essere descritto dall’approccio della termodinamica teorica. Un sistema termodinamico semplice è un sistema a stato singolo senza confini interni e non è soggetto a campi di forza esterne o forze inerziali  Un sistema semplice ha il suo volume come unico parametro, uno stato di equilibrio stabile e con un meccanismo di reazione chimica trascurabile. Un sistema termodinamico composito, invece, ha almeno due sottosistemi semplici combinati. Le proprietà di un sistema composito possono essere diverse da quelle dei sottosistemi a causa dei vincoli imposti da alcune interconnessioni specifiche tra i sottosistemi.

Tipi di sistema termodinamico

Vi sono tre tipi di sistemi:

• aperto

Può scambiare energia e materia con l’ambiente circostante. In un sistema termodinamico aperto, il contenuto di materiale ed energia è variabile e i sistemi scambiano liberamente massa ed energia con l’ambiente circostante. Un esempio è costituito da una tazza di caffè bollente i cui fumi fuoriescono dalla tazza e il calore è trasferito fuori la tazza

• chiuso

Può scambiare solo energia con l’ambiente circostante ma non materia. Un esempio di sistema chiuso è una borsa dell’acqua calda che scambia calore con l’esterno ma rimane costante la massa. In un sistema termodinamico chiuso, il contenuto di materiale è fisso e la composizione interna complessiva cambia solo a causa di una reazione chimica. I sistemi chiusi scambiano energia solo sotto forma di calore o lavoro con l’ambiente circostante.

• isolato

Non può scambiare né materia né energia con l’ambiente circostante. Un sistema perfettamente isolato è difficile da trovare, ma un refrigeratore per bevande isolato con coperchio è concettualmente simile a un vero sistema isolato

Equilibrio termodinamico

Un equilibrio termodinamico è la condizione di un sistema termodinamico, le cui proprietà non cambiano nel tempo e che possono essere modificate in un’altra condizione solo a scapito di effetti su altri sistemi. Di conseguenza, all’equilibrio termodinamico, le velocità di tutte le reazioni che procedono in due direzioni opposte sono uguali.

Affinché si verifichi un equilibrio termodinamico, tutte le proprietà intensive come temperatura, pressione e potenziale chimico ed estensive devono essere costanti. Per proprietà estensive si intendono funzioni di stato quali entalpia, entropia, energia interna e energia libera di Gibbs

In condizioni di equilibrio termodinamico in un sistema chiuso o isolato l’entropia assume valore massimo dS > 0 quanto l’energia interna e il volume sono costanti. L’energia libera di Gibbs, l’energia interna e l’energia libera di Helmholtz raggiungono, invece valore minimo

Processi termodinamici

I processi termodinamici sono i percorsi che portano un sistema termodinamico dal suo stato iniziale al suo stato finale.

I diversi processi termodinamici sono:

• isobaro  che avviene a pressione costante
• isocoro che avviene a volume costante
• isotermico che avviene a temperatura costante
• adiabatico che avviene senza trasferimento di calore o massa tra sistema e ambiente
• quasi statico in cui un sistema fisico passa attraverso una successione continua di stati di equilibrio

I processi termodinamici possono essere sostanzialmente classificati in:

• reversibili in cui un sistema attraversa un cambiamento ciclico durante il quale tutte le sue proprietà cambiano periodicamente ma alla fine ritornano al loro stato iniziale e il cambiamento totale nell’energia interna del sistema rimane zero
• irreversibili  se c’è un aumento dell’entropia del sistema che non può tornare al suo stato originale.