La termodinamica si occupa essenzialmente delle trasformazioni di calore in lavoro meccanico e delle trasformazioni inverse di lavoro meccanico in calore.

Noi sappiamo che il calore va considerato come un ramo della meccanica denominato “meccanica statistica” sviluppato principalmente da Maxwell, Boltzmann e Gibbs, che ha portato ad una interpretazione soddisfacente delle leggi fondamentali della termodinamica, secondo le quali hanno importanza le proprietà medie di un insieme numeroso di particelle (atomi e molecole), non la descrizione dettagliata dello stato e del moto di ciascun atomo o molecola.

Precedentemente alla scoperta da parte dei fisici del calore come forma di energia e della sua trasformazione in altre forme di energia, gli scienziati pensavano che il calore fosse una specie di fluido indistruttibile e il processo di riscaldamento il passaggio di questo fluido da un sistema a un altro.
Nel 1824 Carnot, sfruttando le teorie precedenti, riuscì a comprendere i limiti inerenti alla trasformazione del calore in lavoro (2° principio della termodinamica).
Nel 1842 Robert Julius Mayer scoprì l’equivalenza tra calore e lavoro meccanico (1° principio della termodinamica).
Il primo e il secondo principio della termodinamica hanno il loro fondamento statistico nella meccanica classica. Successivamente Nerst ha aggiunto un terzo principio, che può essere interpretato statisticamente soltanto mediante principi della meccanica quantistica.
Il primo principio della termodinamica è essenzialmente il principio della conservazione dell’energia per i sistemi termodinamici. Secondo questo principio la variazione di energia di un sistema durante una qualsiasi trasformazione uguaglia la quantità di energia che il sistema riceve dai corpi che lo circondano.
Nel caso dei sistemi conservativi puramente meccanici, l’energia è uguale alla somma dell’energia potenziale e dell’energia cinetica e quindi è una funzione dello stato dinamico del sistema: infatti, conoscere lo stato dinamico del sistema equivale a conoscere le posizioni e le velocità di tutti i punti materiali che lo compongono. Se non vi sono forze esterne che agiscono sul sistema, l’energia rimane costante.
Quando vi sono delle forze esterne che agiscono sul sistema, bisogna considerare il lavoro compiuto durante la trasformazione.
Il primo principio della termodinamica trae la sua origine dalla impossibilità di costruire una macchina capace di creare energia, ma non pone alcuna limitazione per la trasformazione di energia da una forma a un’altra. Così esiste sempre la possibilità di trasformare il calore in lavoro e il lavoro in calore, purché la quantità totale di calore sia equivalente alla quantità totale di lavoro.
Questo è certamente vero per la trasformazione di lavoro in calore: un corpo, qualunque sia la sua temperatura, può essere sempre riscaldato per attrito, ricevendo una quantità di energia sotto forma di calore esattamente uguale al lavoro fatto. Allo stesso modo, l’energia elettrica può sempre essere trasformata in calore facendo passare una corrente elettrica attraverso una resistenza. Tuttavia vi sono delle limitazioni sulla possibilità di trasformare calore in lavoro. Se così non fosse, sarebbe possibile costruire una macchina capace di trasformare in lavoro il calore ottenuto raffreddando i corpi circostanti.

Poiché le riserve di energia termica contenute nel suolo, nell’acqua e nell’atmosfera sono praticamente illimitate, una tale macchina sarebbe equivalente a un “perpetuum mobile”.

Il secondo principio della termodinamica esclude questa possibilità e dice che:

• è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia una trasformazione in lavoro di calore tratto da una sorgente a temperatura uniforme (Postulato di Lord Kelvin).

Si dice sorgente di calore alla temperatura “t” un corpo che si trovi uniformemente alla temperatura “t”e sia in condizioni tali di poter scambiare calore e non lavoro con i corpi che lo circondano. Come esempio si possono considerare dei corpi racchiusi in recipienti rigidi o dei corpi che subiscano variazioni di volume trascurabili. Una massa d’acqua che si trovi uniformemente alla temperatura “t” può essere considerata come una sorgente di calore , poiché il suo volume rimane praticamente costante.

o in modo equivalente afferma che:

• è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia un passaggio di calore da un corpo a una data temperatura a un altro a temperatura più alta (Postulato di Clausius)

Che cosa si intende quando si dice che un corpo è a temperatura più alta di un altro? Se si pongono in contatto termico due corpi a temperatura diversa, il calore fluisce spontaneamente per conduzione da uno di questi corpi all’altro. Ora per definizione si dice che il corpo dal quale fluisce il calore è quello a temperatura più alta.

Poiché non è possibile, secondo il postulato di Kelvin, trasformare in lavoro il calore preso da una sorgente a temperatura uniforme mediante una trasformazione che non produca altro cambiamento nel sistema che la effettua, occorrono almeno due sorgenti a temperatura diversa “t1” e “t2” se si vuole realizzare tale trasformazione. Con due sorgenti di calore di questo tipo possiamo trasformare calore in lavoro mediante “il ciclo di Carnot”.

Nella maggior parte dei motori termici, la temperatura inferiore “T1” è la temperatura ambiente e non è quindi regolabile. E’ perciò desiderabile, sotto l’aspetto termodinamico, che la temperatura “T2” sia la più alta possibile.
Un ciclo di Carnot percorso in senso inverso può essere usato per sottrarre una quantità di calore “Q1” da una sorgente alla temperatura inferiore “T1” assorbendo una quantità “L” di lavoro. Su questo principio si può costruire un dispositivo frigorifero, usando la temperatura dell’ambiente come temperatura superiore “T2”. Un ciclo di Carnot percorso a rovescio potrebbe essere usato per sottrarre il calore “Q1” da un corpo raffreddato alla temperatura “T1”<”T2” (temperatura ambiente). E’ evidente che la quantità di lavoro necessaria per sottrarre una quantità di calore “Q1” da un corpo alla temperatura “T1” è sempre più grande al diminuire della temperatura “T1”.

a cura della dr.ssa Madia Saponaro master in Fisica quantistica