Qui imparerai la differenza tra trasformazioni reali e trasformazioni quasistatiche. Vedrai anche alcune trasformazioni quasistatiche particolari e come è possibile rappresentarle su un grafico pressione-volume.

Trasformazioni reali e trasformazioni quasistatiche

In termodinamica si parla spesso di trasformazioni: impara la differenza tra trasformazioni reali e trasformazioniquasistatiche. Vedrai anche alcune trasformazioni quasistatiche particolari e come è possibile rappresentarle su un grafico pressione-volume.

Nel campo della termodinamica si distinguono diversi tipi di trasformazioni:

  • trasformazioni statiche
  • trasformazioni quasistatiche

Esistono poi delle trasformazioni quasistatiche particolari:

  • trasformazioni isobare
  • trasformazioni isocore
  • trasformazioni isoterme
  • trasformazioni adiabatiche
  • trasformazioni cicliche

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Trasformazioni reali

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Vediamo come funziona una trasformazione reale. Consideriamo un sistema termodinamico in uno stato di equilibrio £$A$£. Ora modifichiamo in qualche modo il sistema (aumentiamo o abbassiamo la pressione applicata, oppure aumentiamo improvvisamente la temperatura mettendolo su una fonte di calore intensa). Infine aspettiamo che il sistema ritorni in uno stato di equilibrio £$B$£.

In una situazione intermedia tra i due stati, durante il passaggio da £$A$£ a £$B$£, il comportamento del sistema è molto complesso: al suo interno si  creano delle correnti e dei vortici, per cui la pressione ha valori diversi in diverse zone del sistema. Queste correnti trasportano calore, per questo, quindi, in diversi punti dello stesso sistema si possono misurare temperature diverse.

Nel grafico pressione-volume, questa trasformazione reale deve essere rappresentata in questo modo (figura 2). Soltanto lo stato iniziale £$A$£ e lo stato finale £$B$£ sono ben definiti, nella fase intermedia è presente una porzione detta “fuso” che corrisponde a tutti i valori di pressione e temperatura che sono stati presenti all’interno del sistema durante il processo di trasformazione.

Le trasformazioni quasistatiche

Nella lezione precedente abbiamo detto che lavoreremo solo con sistemi termodinamici in situazione di equilibrio termodinamico. Di conseguenza, le trasformazioni che studieremo sono costituite da una successione di un numero molto grande di stati di equilibrio, ciascuno dei quali è rappresentato da un punto in un grafico pressione-volume.

Trasformazioni di questo genere si dicono quasistatiche e sono  rappresentate nel piano £$p-V$£ da una linea continua che congiunge lo stato iniziale con lo stato finale. La caratteristica fondamentale di una trasformazione quasistatica è che si ottiene passando attraverso numerosissimi stati di equilibrio intermedi, ognuno dei quali differisce pochissimo da quello precedente.

Per capire meglio, prova a immaginare di mettere su un mucchio di sabbia tanti granellini, uno alla volta: ogni volta che aggiungi un granello lo stato del sistema varia, anche se di pochissimo, fino ad arrivare, dopo aver messo diversi granelli, a uno stato finale.

Le trasformazioni isobare

Le trasformazioni isobare sono un particolare tipo di trasformazioni in cui la pressione è costante, nel grafico pressione-volume sono rappresentate da un segmento parallelo all’asse orizzontale, cioè quello del volume.

Le trasformazioni isoterme

Le trasformazioni isoterme sono un particolare tipo di trasformazione in cui la temperatura è costante. La rappresentazione sul grafico pressione-volume di un gas perfetto che subisce questa trasformazione è un arco di iperbole.

Le trasformazioni adiabatiche

Le trasformazioni adiabatiche sono un particolare tipo di trasformazione in cui non avvengono scambi di calore tra il sistema fisico in esame e l’ambiente esterno. Queste trasformazioni avvengono all’interno di contenitori ermeticamente chiusi, come in un thermos, in cui gli scambi di calore sono talmente ridotti da essere considerati nulli.

Per capire come si rappresenta nel grafico £$p-V$£ una trasformazione adiabatica occorre partire dal disegno di una trasformazione isoterma: a parità di condizioni iniziali, il grafico della trasformazione adiabatica è simile rispetto a quello della isoterma, ma si differenzia come indicato in figura, assumendo un volume finale uguale rispetto a quello della corrispondente isoterma ma con una pressione minore. Questa situazione è dovuta al fatto che nella trasformazione adiabatica non ci sono scambi di calore.

Le trasformazioni cicliche

Le trasformazioni cicliche sono un particolare tipo di trasformazione, in cui lo stato iniziale coincide con lo stato finale. In alcuni casi, come in questa immagine, è possibile scomporre la trasformazione in più trasformazioni di natura nota, in questo caso avremo due isobare e due isocore.

Le trasformazioni isocore

Le trasformazioni isocore