Lavoro (termodinamica)

Conservazione dell’energiaModifica

Un principio guida presupposto della termodinamica è la conservazione dell’energia. L’energia totale di un sistema è la somma della sua energia interna, della sua energia potenziale come un intero sistema in un campo di forze esterne, come la gravità, e della sua energia cinetica come un intero sistema in movimento. La termodinamica si occupa in particolare dei trasferimenti di energia, da un corpo di materia, come ad esempio un cilindro di vapore, all’ambiente circostante il corpo, attraverso meccanismi attraverso i quali il corpo esercita forze macroscopiche sull’ambiente circostante in modo da sollevarvi un peso; tali meccanismi sono quelli che si dice che mediano il lavoro termodinamico.

Oltre al trasferimento di energia come lavoro, la termodinamica ammette il trasferimento di energia come calore. Per un processo in un sistema termodinamico chiuso (nessun trasferimento di materia), la prima legge della termodinamica mette in relazione i cambiamenti nell’energia interna (o in un’altra funzione energetica cardinale, a seconda delle condizioni del trasferimento) del sistema con questi due modi di trasferimento di energia, come lavoro e come calore. Il lavoro adiabatico è fatto senza trasferimento di materia e senza trasferimento di calore. In linea di principio, in termodinamica, per un processo in un sistema chiuso, la quantità di calore trasferito è definita dalla quantità di lavoro adiabatico che sarebbe necessario per effettuare il cambiamento nel sistema che è occasionato dal trasferimento di calore. Nella pratica sperimentale, il trasferimento di calore è spesso stimato calorimetricamente, attraverso il cambiamento di temperatura di una quantità nota di sostanza materiale calorimetrico.

L’energia può anche essere trasferita a o da un sistema attraverso il trasferimento di materia. La possibilità di tale trasferimento definisce il sistema come un sistema aperto, al contrario di un sistema chiuso. Per definizione, tale trasferimento non è né come lavoro né come calore.

Le variazioni dell’energia potenziale di un corpo nel suo insieme rispetto alle forze nell’ambiente circostante, e dell’energia cinetica del corpo in movimento nel suo insieme rispetto all’ambiente circostante, sono per definizione escluse dall’energia cardinale del corpo (esempi sono l’energia interna e l’entalpia).

Trasferimento quasi reversibile di energia per lavoro nell’ambiente circostanteModifica

Nell’ambiente di un sistema termodinamico, esterno ad esso, tutte le varie forme macroscopiche di lavoro, meccaniche e non, possono essere convertite tra loro senza alcuna limitazione di principio dovuta alle leggi della termodinamica, tanto che l’efficienza di conversione energetica può avvicinarsi in alcuni casi al 100%; si richiede che tale conversione sia senza attrito, e quindi adiabatica. In particolare, in linea di principio, tutte le forme macroscopiche di lavoro possono essere convertite nel lavoro meccanico di sollevamento di un peso, che era la forma originale di lavoro termodinamico considerata da Carnot e Joule (vedi sezione Storia sopra). Alcuni autori hanno considerato questa equivalenza al sollevamento di un peso come una caratteristica che definisce il lavoro. Per esempio, con l’apparato dell’esperimento di Joule in cui, attraverso le carrucole, un peso che scende nell’ambiente circostante guida l’agitazione di un sistema termodinamico, la discesa del peso può essere deviata da una nuova disposizione delle carrucole, in modo che sollevi un altro peso nell’ambiente circostante, invece di agitare il sistema termodinamico.

Tale conversione può essere idealizzata come quasi senza attrito, anche se avviene relativamente rapidamente. Di solito avviene attraverso dispositivi che non sono sistemi termodinamici semplici (un sistema termodinamico semplice è un corpo omogeneo di sostanze materiali). Per esempio, la discesa del peso nell’esperimento di agitazione di Joule riduce l’energia totale del peso. È descritta come una perdita di energia potenziale gravitazionale da parte del peso, dovuta al cambiamento della sua posizione macroscopica nel campo gravitazionale, in contrasto con, per esempio, la perdita di energia interna del peso dovuta ai cambiamenti nella sua entropia, volume e composizione chimica. Anche se avviene relativamente rapidamente, perché l’energia rimane quasi completamente disponibile come lavoro in un modo o nell’altro, tale deviazione di lavoro nell’ambiente circostante può essere idealizzata come quasi reversibile, o quasi perfettamente efficiente.

Al contrario, la conversione del calore in lavoro in un motore termico non può mai superare il rendimento di Carnot, come conseguenza della seconda legge della termodinamica. Tale conversione di energia, attraverso il lavoro fatto in modo relativamente rapido, in un motore termico pratico, da un sistema termodinamico sul suo ambiente, non può essere idealizzato, nemmeno lontanamente, come reversibile.

Il lavoro termodinamico fatto da un sistema termodinamico sul suo ambiente è definito in modo da rispettare questo principio. Storicamente, la termodinamica riguardava il modo in cui un sistema termodinamico poteva compiere lavoro sull’ambiente circostante.

Lavoro compiuto da e su un semplice sistema termodinamicoModifica

Il lavoro compiuto su e il lavoro compiuto da un sistema termodinamico devono essere distinti, attraverso la considerazione dei loro precisi meccanismi. Il lavoro fatto su un sistema termodinamico, da dispositivi o sistemi nell’ambiente circostante, viene eseguito da azioni come la compressione, e comprende il lavoro dell’albero, l’agitazione e lo sfregamento. Tale lavoro fatto per compressione è lavoro termodinamico come qui definito. Ma il lavoro dell’albero, l’agitazione e lo sfregamento non sono lavoro termodinamico come qui definito, in quanto non cambiano il volume del sistema contro la sua pressione resistente. Il lavoro senza cambiamento di volume è noto come lavoro isocorico, per esempio quando un ente, nei dintorni del sistema, guida un’azione di attrito sulla superficie o all’interno del sistema.

In un processo di trasferimento di energia da o verso un sistema termodinamico, il cambiamento di energia interna del sistema è definito in teoria dalla quantità di lavoro adiabatico che sarebbe stato necessario per raggiungere lo stato finale da quello iniziale, essendo tale lavoro adiabatico misurabile solo attraverso le variabili meccaniche o di deformazione del sistema misurabili esternamente, che forniscono informazioni complete sulle forze esercitate dall’ambiente circostante sul sistema durante il processo. Nel caso di alcune delle misurazioni di Joule, il processo era organizzato in modo tale che un certo riscaldamento che avveniva all’esterno del sistema (nella sostanza delle racchette) per il processo di attrito portava anche al trasferimento di calore dalle racchette nel sistema durante il processo, così che la quantità di lavoro fatto dall’ambiente circostante sul sistema poteva essere calcolato come lavoro dell’albero, una variabile meccanica esterna.

La quantità di energia trasferita come lavoro è misurata attraverso quantità definite esternamente al sistema di interesse, e quindi appartenenti al suo ambiente. In un’importante convenzione di segno, preferita in chimica, il lavoro che si aggiunge all’energia interna del sistema è contato come positivo. D’altra parte, per ragioni storiche, una convenzione di segno spesso incontrata, preferita in fisica, è di considerare il lavoro fatto dal sistema sui suoi dintorni come positivo.

Processi non descritti dal lavoro macroscopicoModifica

Un tipo di trasferimento di calore, attraverso il contatto diretto tra un sistema chiuso e i suoi dintorni, è attraverso i microscopici movimenti termici delle particelle e le loro energie potenziali inter-molecolari associate. I conti microscopici di tali processi sono la provincia della meccanica statistica, non della termodinamica macroscopica. Un altro tipo di trasferimento di calore è la radiazione. Il trasferimento radiativo di energia è irreversibile, nel senso che avviene solo da un sistema più caldo a uno più freddo, mai nell’altro senso. Ci sono diverse forme di trasduzione dissipativa di energia che possono verificarsi all’interno di un sistema a livello microscopico, come l’attrito, compresa la viscosità di massa e di taglio, la reazione chimica, l’espansione non vincolata come nell’espansione di Joule e nella diffusione, e il cambiamento di fase.

Il lavoro termodinamico non tiene conto dell’energia trasferita tra i sistemi come calore o attraverso il trasferimento di materia.

Sistemi apertiModifica

Per un sistema aperto, la prima legge della termodinamica ammette tre forme di trasferimento di energia, come lavoro, come calore, e come energia associata alla materia che viene trasferita. Quest’ultima non può essere divisa univocamente in componenti di calore e lavoro.

La convezione unidirezionale di energia interna è una forma di trasporto di energia ma non è, come a volte erroneamente supposto (un relitto della teoria calorica del calore), un trasferimento di energia come calore, perché la convezione unidirezionale è un trasferimento di materia; né è un trasferimento di energia come lavoro. Tuttavia, se la parete tra il sistema e i suoi dintorni è spessa e contiene fluido, in presenza di un campo gravitazionale, la circolazione convettiva all’interno della parete può essere considerata come una mediazione indiretta del trasferimento di energia come calore tra il sistema e i suoi dintorni, anche se la fonte e la destinazione dell’energia trasferita non sono in contatto diretto.

“Processi” termodinamici reversibili immaginati fittiziamente

Ai fini dei calcoli teorici su un sistema termodinamico, si possono immaginare “processi” termodinamici idealizzati fittizi che avvengono così lentamente da non incorrere in attrito all’interno o sulla superficie del sistema; essi possono quindi essere considerati virtualmente reversibili. Questi processi fittizi procedono lungo percorsi su superfici geometriche che sono descritte esattamente da un’equazione caratteristica del sistema termodinamico. Queste superfici geometriche sono i luoghi dei possibili stati di equilibrio termodinamico del sistema. I processi termodinamici realmente possibili, che si verificano a velocità pratiche, anche quando si verificano solo per lavoro valutato nell’ambiente circostante come adiabatico, senza trasferimento di calore, incorrono sempre nell’attrito all’interno del sistema, e quindi sono sempre irreversibili. I percorsi di tali processi realmente possibili si allontanano sempre da quelle superfici geometriche caratteristiche. Anche quando si verificano solo per lavoro valutato nell’ambiente circostante come adiabatico, senza trasferimento di calore, tali deviazioni comportano sempre la produzione di entropia.

Riscaldamento Joule e sfregamentoModifica

La definizione di lavoro termodinamico è in termini di cambiamenti delle variabili di stato estensive di deformazione (e costitutive chimiche e alcune altre) del sistema, come il volume, la costituzione chimica molare, o la polarizzazione elettrica. Esempi di variabili di stato che non sono variabili di deformazione estensiva o di altro tipo sono la temperatura T e l’entropia S, come per esempio nell’espressione U = U(S, V, {Nj}). I cambiamenti di tali variabili non sono in realtà fisicamente misurabili con l’uso di un singolo processo termodinamico adiabatico semplice; sono processi che non avvengono né per lavoro termodinamico né per trasferimento di materia, e quindi si dice che avvengono per trasferimento di calore. La quantità di lavoro termodinamico è definita come il lavoro fatto dal sistema sul suo ambiente. Secondo la seconda legge della termodinamica, tale lavoro è irreversibile. Per ottenere una misura fisica effettiva e precisa di una quantità di lavoro termodinamico, è necessario tenere conto dell’irreversibilità riportando il sistema alla sua condizione iniziale eseguendo un ciclo, per esempio un ciclo di Carnot, che include il lavoro obiettivo come passo. Il lavoro fatto dal sistema sull’ambiente circostante è calcolato a partire dalle quantità che costituiscono l’intero ciclo. Un ciclo diverso sarebbe necessario per misurare effettivamente il lavoro fatto dall’ambiente circostante sul sistema. Questo ricorda che lo sfregamento della superficie di un sistema appare all’agente di sfregamento nell’ambiente circostante come lavoro meccanico, anche se non termodinamico, fatto sul sistema, non come calore, ma appare al sistema come calore trasferito al sistema, non come lavoro termodinamico. La produzione di calore per sfregamento è irreversibile; storicamente, era una prova per il rifiuto della teoria calorica del calore come sostanza conservata. Anche il processo irreversibile noto come riscaldamento di Joule avviene attraverso un cambiamento di una variabile di stato estensiva non deformabile.

Secondo l’opinione di Lavenda, il lavoro non è un concetto primitivo come il calore, che può essere misurato dalla calorimetria. Questa opinione non nega l’ormai consueta definizione termodinamica del calore in termini di lavoro adiabatico.

Conosciuta come operazione termodinamica, il fattore di avvio di un processo termodinamico è, in molti casi, un cambiamento della permeabilità di una parete tra il sistema e l’ambiente circostante. Lo sfregamento non è un cambiamento della permeabilità della parete. L’affermazione di Kelvin della seconda legge della termodinamica usa la nozione di un “ente materiale inanimato”; questa nozione è talvolta considerata sconcertante. L’innesco di un processo di sfregamento può avvenire solo nell’ambiente circostante, non in un sistema termodinamico nel proprio stato di equilibrio termodinamico interno. Tale innesco può essere descritto come un’operazione termodinamica.