Sistema termodinamico

Il sistema è il modulo di elementi che sono correlati tra loro e che mantengono interazioni. La termodinamica, invece, è il campo della fisica che studia i legami che il calore stabilisce con altre forme di energia.

La termodinamica, quindi, è una disciplina scientifica il cui oggetto di studio è lo scambio di energia tra un corpo e l'ambiente. In questo contesto, possiamo dire che un sistema termodinamico è un insieme di corpi che viene isolato dall'ambiente per essere studiato.

Tale isolamento può avvenire in modo reale attraverso un campo sperimentale o in modo ideale (teorico). L'obiettivo è sempre quello di studiare gli scambi di energia e materia che avvengono all'interno del sistema.

L'universo del sistema termodinamico è costituito dal sistema stesso (l'insieme dei corpi) e dall'ambiente. La superficie che separa il sistema dall'ambiente è chiamata muro o confine. Secondo le caratteristiche di questa parete, cioè la sua capacità di effettuare un isolamento rispetto all'ambiente, si può parlare di diverse classi di sistemi termodinamici:

* isolato: questo sistema termodinamico non effettua uno scambio di energia o di materia con l'ambiente. In altre parole, si può dire che è in equilibrio termodinamico. Un caso in cui questo può essere visto è quello di un gas che è intrappolato in un contenitore con pareti forti e spesse (chiamate pareti adiabatiche), in modo che il grado di scambio di energia termica non è significativo e nessuno scambio di energia sotto forma di lavoro può avvenire;

* chiuso: questo è un sistema termodinamico che può scambiare energia con l'ambiente, ma non materia. Questa particolare classe ha molti esempi che lo rappresentano, e alcuni sono comuni come una lattina, poiché le sue pareti non sono così spesse e rigide come quelle di un sistema isolato;

* aperto: molti dei sistemi termodinamici che si possono incontrare quotidianamente rientrano in questa classe. Un esempio di facile comprensione è un'automobile, poiché effettua uno scambio di materia con il mondo esterno ogni volta che una persona vi si siede dentro, riempie il suo serbatoio di carburante, carica la sua batteria, o attraverso l'emissione di gas attraverso il tubo di scarico. D'altra parte, c'è anche uno scambio di energia sotto forma di calore, che è molto facile da vedere sia all'interno che all'esterno del veicolo.

Un altro modo di classificare i sistemi termodinamici è quello di prendere in considerazione la loro omogeneità, che risulta nelle seguenti due classi:

* omogeneo: un sistema le cui proprietà macroscopiche corrispondono in qualsiasi delle sue parti. Questa classe di sistemi può verificarsi in qualsiasi stato di aggregazione. Tre esempi in cui queste caratteristiche sono soddisfatte sono una sostanza solida pura allo stato cristallizzato sotto forma di un singolo cristallo, un gas intrappolato in un contenitore chiuso, o una quantità di acqua pura.

* eterogeneo: la sua definizione è il contrario di quella di un sistema omogeneo.

Un altro tipo di sistema termodinamico è quello adiabatico, che permette lo scambio di energia sotto forma di lavoro, ma non di energia termica (né di materia).

Un sistema è in equilibrio termodinamico quando le sue variabili intensive non cambiano nel tempo. Bisogna ricordare che queste variabili sono quelle che non cambiano di valore in funzione della quantità di materia o delle dimensioni del sistema.