Energia interna

Le particelle elementari che costituiscono qualunque elemento di materia possiedono energia sottovarie forme: ci sono forme che si manifestano a livello macroscopico, come l’energia cinetica o quella potenziale associate al movimento o alla presenza di un campo gravitazionale, e forme che invece non sono normalmente manifeste perché possedute dalle particelle a livello microscopico.

Quindi, possiamo affermare che l’energia totale E di un corpo è somma delle energia possedute a livello macroscopico (ossia energia cinetica EC ed energia potenziale EP) e dell’energia a livello microscopico (cioè appunto ciò che abbiamo definito energia interna U):

E = EC + EP + U

Per facilitare l’introduzione del concetto di energia interna, è possibile far riferimento ad un sistema termodinamico in quiete, per il quale, cioè, i termini EC ed EP sono costanti e risulta perciò ΔEC = 0 e ΔEP = 0. Volendo invece dare una espressione ancora più generale per il 1° principio della termodinamica, possiamo scriverlo nella forma:

ΔE = Efin – Ein = ΔEC + ΔEP + ΔU = Q – L

Un caso particolare di applicazione del 1° principio della termodinamica è quello di un sistema isolato, ossia di un sistema chiuso (che cioè non scambia materia) che non scambia nemmeno energia con l’ambiente (Q = 0 e L = 0): in questo caso, abbiamo semplicemente che ΔE = 0.

Ad ogni modo, finche considereremo sistemi chiusi, faremo sempre riferimento a sistemi in quiete, per cui la relazione da usare è quella introdotta nel paragrafo precedente. Viene misurata in joule nel sistema internazionale.

Un caso particolarmente importante in cui la variazione dell’energia interna non è accompagnata da una variazione della temperatura è quello dei passaggi di stato di sostanze pure.

È esperienza diffusa che un cubetto di ghiaccio, estratto dal frigorifero e poi immesso in un ambiente a temperatura superiore a 0 °C, fonde completamente dopo un certo tempo. Esposto al sole, il cubetto fonderebbe anche se l’aria circostante fosse molto fredda. Si può provare in modo relativamente semplice che durante tutto il processo di fusione la temperatura del ghiaccio (e dell’acqua di fusione) rimane costante. Il calore fornito dall’ambiente o l’energia trasportata dalla luce solare e assorbita dal cubetto di ghiaccio producono dunque un aumento dell’energia interna del “sistema cubetto” dando luogo a una fusione del ghiaccio invece che a un aumento della sua temperatura.

Il processo inverso, cioè la solidificazione di una sostanza pura allo stato liquido, ad esempio acqua, avviene con modalità analoghe. Raffreddata per contatto con un corpo a temperatura inferiore allo zero centigrado (per esempio l’aria della cella frigorifera) una data quantità di acqua fornisce calore all’ambiente più freddo diminuendo la propria temperatura finché è liquida. Con l’inizio del congelamento e fino alla solidificazione completa la diminuzione di energia interna dell’acqua non si accompagna ad alcuna diminuzione della temperatura. Non c’è dubbio che ci sia una perdita di energia interna da parte dell’acqua in quanto l’ambiente della cella può essere di parecchi gradi sotto lo zero centigrado.

Il fatto che nei passaggi di stato la variazione di energia interna avvenga a temperatura costante, indica che lo scambio energetico con l’esterno provoca la variazione di una forma di energia del sistema diversa da quella direttamente proporzionale alla sua temperatura. Tale forma è correlata allo stato di aggregazione, cioè alla struttura interna del sistema.

È possibile valutare la variazione dell’energia interna dovuta al cambiamento di stato misurando quanta energia si deve fornire per realizzarlo.

La quantità di energia da fornire per realizzare il passaggio di stato dell’unità di massa di una certa sostanza è chiamato calore latente, termine introdotto nel contesto della calorimetria. Come per l’espressione calore specifico, è opportuno sostantivizzare in calore latente l’espressione che indica la variazione dell’energia interna del sistema (di massa unitaria) per il completo cambiamento di stato.

È importante notare che non solo le temperature (a parità di pressione), ma anche i valori di calore latente sono gli stessi per la fusione e la solidificazione. Considerazioni analoghe valgono per gli altri passaggi di stato di sostanze pure.

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