Sistema termodinamico

Un sistema termodinamico è una definita quantità di materia, oppure una definita porzione di spazio (geometricamente delimitato), su cui si intende operare. Tale sistema è delimitato da superfici (o pareti o confini), dette anche superfici di controllo; tutto ciò che è esterno al sistema, ed è in grado di interagire con esso, prende il nome di ambiente.

Superficie di controllo

La superficie di controllo, di un sistema termodinamico, rappresenta i confini del sistema termodinamico e lo caratterizza in base alle sue proprietà intrinseche di interazione tra sistema ed ambiente; infatti a seconda della tipologia di superficie di controllo avremo sistemi termodinamici chiusi, aperti oppure isolati. La parete di un sistema termodinamico può essere classificata per tre parametri essenziali: permeabilitàrigidità e termicità.

Permeabilità

La parete può essere:

  • impervia: non permette un flusso di materia (massa);
  • porosa: permette un flusso di materia, anche selettivamente (come suggerisce il nome).

Rigidità

La parete può essere:

  • rigida: non permette variazioni di volume, quindi di lavoro;
  • mobile: permette variazioni di volume, quindi di lavoro.

Termicità

La parete può essere:

  • adiabatica: non permette uno scambio di calore;
  • diatermica: permette lo scambio di calore.

Tipologie di sistema termodinamico

In base alla tipologia e combinazione delle proprietà delle superfici di controllo si possono distinguere le seguenti tipologie di sistema termodinamico:

  1. sistema aperto: i suoi confini sono permeabili, sia pure parzialmente, al passaggio di materia;
  2. sistema chiuso: è delimitato da superfici impermeabili al passaggio di materia; in altre parole, un sistema chiuso non può scambiare materia con l’ambiente, ma solo energia;
  3. sistema isolato: un sistema si dice isolato quando, oltre ad essere chiuso, non effettua scambi di energia con l’esterno.

I sistemi termodinamici sopraelencati non sono altro che una combinazione di queste proprietà:

  • sistema aperto: parete porosa, mobile e diatermica;
    • sistema aperto adiabatico: parete porosa, mobile e adiabatica;
  • sistema chiuso: parete impervia, mobile e diatermica;
    • sistema chiuso adiabatico: parete impervia, mobile e adiabatica;
  • sistema isolato: parete impervia, rigida e adiabatica.

È chiaro, da queste definizioni, che un sistema chiuso è caratterizzato dalla costanza della sua massa, mentre non è vero il contrario, nel senso che un sistema avente massa costante non necessariamente è chiuso: infatti, potrebbe anche trattarsi di un sistema aperto in regime permanente, ossia di un sistema nel quale, istante per istante, la massa entrante è perfettamente uguale a quella uscente.

Proprietà intensive ed estensive di un sistema termodinamico

Ogni caratteristica di un sistema termodinamico è detta proprietà; le proprietà di un sistema si distinguono in:

  • proprietà intensive: sono quelle che non dipendono dalle dimensioni del sistema, ne sono un esempio: la temperatura, la pressione, la densità (se un sistema è grande, o piccolo, non influenza la temperatura, la pressione o la densità dello stesso);
  • proprietà estensive: sono quelle che dipendono dalle dimensioni, o dall’estensione, del sistema, ne sono un esempio: la massa, il volume e l’energia totale (se un sistema è grande, o piccolo, influenza la massa, il volume e l’energia totale dello stesso, in quanto la massa sarà più grande, o piccola, il volume sarà più grande, o piccolo, l’energia totale contenuta sarà più grande o più piccola).

Stato termodinamico di un sistema

Si definisce stato termodinamico di un sistema termodinamico l’insieme dei valori assunti da quelle proprietà termofisiche misurabili, ovvero dalle grandezze fisiche che lo caratterizzano, come la pressione, il volume, l’entropia, la temperatura e così via. Le proprietà così caratterizzate sono definite grandezze o parametri di stato, in virtù della corrispondenza che viene ad intercorrere tra valori assunti e stato individuato. Va rilevato che tale formulazione configura uno stato di carattere macroscopico, nel senso che esso è individuato da valori delle grandezze derivanti dalla media su di un gran numero di particelle, e può di fatto corrispondere ad infinite distribuzioni di posizioni e velocità a livello microscopico.

Uno stato termodinamico è in equilibrio se i parametri che definiscono lo stato termodinamico sono stazionari ovvero indipendenti dal tempo. Si possono variare i parametri che definiscono lo stato, cioè le variabili di stato, in molti modi. Se la variazione delle variabili di stato e quindi dello stato stesso porta da uno stato di equilibrio ad un altro stato di equilibrio si dice che è avvenuta una trasformazione termodinamica. La rappresentazione grafica dell’insieme degli stati termodinamici che un sistema può assumere al variare di alcune grandezze termodinamiche (ad esempio temperatura, pressione, volume e composizione) avviene attraverso diagrammi di stato.