La Prima Legge della Termodinamica afferma che il calore è una forma di energia, e i processi termodinamici sono quindi soggetti al principio di conservazione dell’energia. Ciò significa che l’energia termica non può essere creata o distrutta. Può, tuttavia, essere trasferito da un luogo all’altro e convertito in e da altre forme di energia.

La termodinamica è la branca della fisica che si occupa delle relazioni tra calore e altre forme di energia., In particolare, descrive come l’energia termica viene convertita da e verso altre forme di energia e come influisce sulla materia. I principi fondamentali della termodinamica sono espressi in quattro leggi.

“La prima legge dice che l’energia interna di un sistema deve essere uguale al lavoro che viene fatto sul sistema, più o meno il calore che scorre dentro o fuori dal sistema e qualsiasi altro lavoro che viene fatto sul sistema”, ha detto Saibal Mitra, professore di fisica alla Missouri State University. “Quindi, è una riaffermazione della conservazione dell’energia.,”

Mitra ha continuato, ” Il cambiamento di energia interna di un sistema è la somma di tutti gli input e le uscite di energia da e verso il sistema in modo simile a come tutti i depositi e prelievi effettuati determinano i cambiamenti nel tuo saldo bancario.”Questo è espresso matematicamente come: ΔU = Q-W, dove ΔU è il cambiamento nell’energia interna, Q è il calore aggiunto al sistema e W è il lavoro svolto dal sistema.,

Storia

Gli scienziati tra la fine del xviii e l’inizio del xix secolo aderirono alla teoria calorica, proposta per la prima volta da Antoine Lavoisier nel 1783, e ulteriormente sostenuta dal lavoro di Sadi Carnot nel 1824, secondo l’American Physical Society. La teoria calorica trattava il calore come una sorta di fluido che scorreva naturalmente dalle regioni calde a quelle fredde, tanto quanto l’acqua scorre da luoghi alti a bassi. Quando questo fluido calorico scorreva da una regione calda a una fredda, poteva essere convertito in energia cinetica e fatto funzionare tanto quanto l’acqua che cade poteva guidare una ruota idraulica., Fu solo quando Rudolph Clausius pubblicò “The Mechanical Theory of Heat” nel 1879 che la teoria calorica fu finalmente messa a riposo.

Sistemi termodinamici

L’energia può essere divisa in due parti, secondo David McKee, professore di fisica alla Missouri Southern State University. Uno è il nostro contributo macroscopico a scala umana, come un pistone che si muove e spinge su un sistema di gas. Al contrario, le cose accadono su una scala molto piccola in cui non possiamo tenere traccia dei singoli contributi.,

McKee spiega: “Quando metto due campioni di metallo l’uno contro l’altro, e gli atomi stanno sferragliando intorno al confine, e due atomi rimbalzano l’uno contro l’altro, e uno dei si stacca più velocemente dell’altro, non riesco a tenerne traccia. Succede su una scala temporale molto piccola e una distanza molto piccola, e succede molte, molte volte al secondo. Quindi, dividiamo tutto il trasferimento di energia in due gruppi: le cose di cui terremo traccia e quelle di cui non terremo traccia. Quest’ultimo di questi è ciò che chiamiamo calore.,”

I sistemi termodinamici sono generalmente considerati aperti, chiusi o isolati. Secondo l’Università della California, Davis, un sistema aperto scambia liberamente energia e materia con l’ambiente circostante; un sistema chiuso scambia energia ma non materia con l’ambiente circostante; e un sistema isolato non scambia energia o materia con l’ambiente circostante. Ad esempio, una pentola di zuppa bollente riceve energia dalla stufa, irradia calore dalla padella ed emette materia sotto forma di vapore, che trasporta anche energia termica. Questo sarebbe un sistema aperto., Se mettiamo un coperchio stretto sulla pentola, emetterebbe ancora energia termica, ma non emetterebbe più materia sotto forma di vapore. Questo sarebbe un sistema chiuso. Tuttavia, se dovessimo versare la zuppa in una bottiglia di thermos perfettamente isolata e sigillare il coperchio, non ci sarebbe energia o materia che entra o esce dal sistema. Questo sarebbe un sistema isolato.

In pratica, tuttavia, sistemi perfettamente isolati non possono esistere. Tutti i sistemi trasferiscono energia al loro ambiente attraverso le radiazioni, non importa quanto siano ben isolati., La zuppa nel thermos rimarrà calda solo per poche ore e raggiungerà la temperatura ambiente entro il giorno successivo. In un altro esempio, le stelle nane bianche, i resti caldi di stelle bruciate che non producono più energia, possono essere isolate da anni luce di vuoto quasi perfetto nello spazio interstellare, ma alla fine si raffredderanno da diverse decine di migliaia di gradi a quasi zero assoluto a causa della perdita di energia attraverso le radiazioni. Anche se questo processo richiede più tempo dell’età attuale dell’universo, non c’è modo di fermarlo.,

Motori termici

L’applicazione pratica più comune della Prima legge è il motore termico. I motori termici convertono l’energia termica in energia meccanica e viceversa. La maggior parte dei motori termici rientra nella categoria dei sistemi aperti. Il principio di base di un motore termico sfrutta le relazioni tra calore, volume e pressione di un fluido di lavoro. Questo fluido è tipicamente un gas, ma in alcuni casi può subire cambiamenti di fase da gas a liquido e tornare a un gas durante un ciclo.

Quando il gas viene riscaldato, si espande; tuttavia, quando quel gas è confinato, aumenta di pressione., Se la parete inferiore della camera di confinamento è la parte superiore di un pistone mobile, questa pressione esercita una forza sulla superficie del pistone facendolo muovere verso il basso. Questo movimento può quindi essere sfruttato per fare un lavoro pari alla forza totale applicata alla parte superiore del pistone volte la distanza che il pistone si muove.

Ci sono numerose varianti sul motore termico di base. Ad esempio, i motori a vapore si basano sulla combustione esterna per riscaldare un serbatoio della caldaia contenente il fluido di lavoro, in genere acqua., L’acqua viene convertita in vapore e la pressione viene quindi utilizzata per azionare un pistone che converte l’energia termica in energia meccanica. I motori automobilistici, tuttavia, utilizzano la combustione interna, dove il combustibile liquido viene vaporizzato, mescolato con aria e acceso all’interno di un cilindro sopra un pistone mobile che lo guida verso il basso.

Frigoriferi, condizionatori d’aria e pompe di calore

I frigoriferi e le pompe di calore sono motori termici che convertono l’energia meccanica in calore. La maggior parte di questi rientra nella categoria dei sistemi chiusi. Quando un gas viene compresso, la sua temperatura aumenta., Questo gas caldo può quindi trasferire calore all’ambiente circostante. Quindi, quando il gas compresso può espandersi, la sua temperatura diventa più fredda di quanto non fosse prima che fosse compresso perché parte della sua energia termica è stata rimossa durante il ciclo caldo. Questo gas freddo può quindi assorbire energia termica dal suo ambiente. Questo è il principale di lavoro dietro un condizionatore d’aria. I condizionatori d’aria in realtà non producono freddo; rimuovono il calore. Il fluido di lavoro viene trasferito all’esterno da una pompa meccanica dove viene riscaldato per compressione., Successivamente, trasferisce il calore all’ambiente esterno, di solito attraverso uno scambiatore di calore raffreddato ad aria. Quindi, viene riportato all’interno, dove è consentito espandersi e raffreddarsi in modo che possa assorbire il calore dall’aria interna attraverso un altro scambiatore di calore.

Una pompa di calore è semplicemente un condizionatore d’aria eseguito in senso inverso. Il calore del fluido di lavoro compresso viene utilizzato per riscaldare l’edificio. Viene quindi trasferito all’esterno dove si espande e diventa freddo, permettendogli così di assorbire il calore dall’aria esterna, che anche in inverno è solitamente più calda del fluido di lavoro a freddo.,

I sistemi geotermici di condizionamento d’aria e pompe di calore utilizzano lunghi tubi a forma di U in pozzi profondi o una serie di tubi orizzontali sepolti in una vasta area attraverso la quale viene fatto circolare il fluido di lavoro e il calore viene trasferito da o verso la terra. Altri sistemi utilizzano fiumi o acqua dell’oceano per riscaldare o raffreddare il fluido di lavoro.