Sistema termodinamico

Un sistema termodinamico o semplice è una porzione di spazio materiale, separata dal resto dell'universo termodinamico (ovvero dall'ambiente esterno) mediante una superficie di controllo (o confine) reale o immaginaria, rigida o deformabile; può essere sede di trasformazioni interne e scambi di materia e/o di energia con l'ambiente esterno (ovvero tutto ciò di esterno al sistema che interagisce con esso).

Schematizzazione di un sistema termodinamico o semplice

Classificazione

Esistono tre tipi principali di sistemi termodinamici: aperto, chiuso e isolato. In particolare:

• un sistema si dice aperto se consente un flusso con l'ambiente esterno, sia di massa sia di energia (tramite calore e/o lavoro e/o altra forma di energia), attraverso il suo confine; un esempio di sistema aperto è una piscina piena d'acqua, in cui l'acqua può entrare o uscire dalla piscina e può essere riscaldata da un sistema di riscaldamento e raffreddata dal vento;
• un sistema si dice chiuso se consente un flusso di energia con l'ambiente esterno, attraverso il suo confine, (tramite calore e/o lavoro e/o altra forma di energia), ma non di massa; ne è un esempio una bombola tenuta chiusa da una valvola, che può scaldarsi o raffreddarsi ma non perde massa (mentre la stessa bombola si comporta da sistema aperto se apriamo la valvola);
• un sistema si dice adiabatico quando non scambia calore con l'ambiente;
• un sistema si dice parzialmente isolato se consente un flusso di massa con l'ambiente esterno, attraverso il suo confine, ma non di energia;
• inoltre, un sistema si dice isolato se non permette un flusso né di energia né di massa con l'ambiente esterno.

Ognuno di questi sistemi può essere schematizzato ancora per la sua complessità interna, ovvero la possibilità di venire suddiviso in sottosistemi minori; otterremo così che un sistema aperto, aperto adiabatico, chiuso, chiuso adiabatico e isolato possono essere:

• semplici: un sistema è semplice se è delimitato da un confine, internamente al quale non esistono altre pareti;
• composti: un sistema è composto se è delimitato da un confine, internamente al quale esistono altre pareti.

Descrizione microscopica e macroscopica

Un sistema termodinamico si può vedere da un punto di vista macroscopico e microscopico.

Caratteristiche di una descrizione macroscopica di un sistema semplice

• Non si fanno ipotesi sulla struttura del sistema.
• Le grandezze necessarie per descriverlo sono in piccolo numero: pressione, volume, temperatura, quantità del gas.
• Sono percepibili dai nostri sensi.
• Esiste l'equazione di stato del gas ideale, che è particolarmente semplice e versatile; inoltre altre equazioni di trasformazione permettono di calcolare facilmente le energie e la massa scambiati.

Caratteristiche di una descrizione di un ecosistema

È una descrizione più complicata, affrontata a livello macroscopico; però normalmente le trasformazioni non sono ideali e l'approccio richiede una preparazione di base più ampia.

• Occorre fare numerose ipotesi sulla struttura del sistema, che è composto da diverse sostanze in diverse fasi.
• Le grandezze sono in numero grande.
• A volte le cause e gli effetti degli attriti sfuggono alla percezione.
• Sono composti da molti elementi che interagiscono, a volte in modo complesso.
• A volte è necessaria la competenza matematica di trattare con numeri molto grandi.

Caratteristiche della descrizione molecolare di un sistema

È una descrizione più complicata, l'approccio richiede una preparazione di base più ampia, di solito richiede basi di termodinamica statistica.

• Occorre fare numerose ipotesi sulla struttura del sistema, che composto da diverse sostanze in diverse fasi.
• Le grandezze sono in numero grande.
• A volte le cause e gli effetti degli attriti sfuggono alla percezione.
• Sono composti da molti elementi che interagiscono in modo indipendente.
• A volte è necessaria la competenza matematica di trattare con numeri molto grandi o con concetti abbastanza astratti.

A volte questo livello viene chiamato "microscopico", però gli atomi le molecole non sono visibili al microscopio; inoltre, al livello molecolare è quasi sempre importante il principio di indeterminazione di Heisenberg.

Sistema semplice

Per descrivere macroscopicamente un gas ideale nel cilindro basta tenere conto di pressione, temperatura, quantità del gas e volume.

Sistema molecolare

Per descrivere un sistema molecolare occorre considerare le molecole e gli atomi e descrivere matematicamente tutte le posizioni che esse assumono man mano che cambiano la pressione, il volume e la temperatura, tenendo conto del principio di indeterminazione, che rende statistico il comportamento del sistema e dei suoi componenti elementari.

Superficie di controllo

La superficie di controllo (più comunemente detta confine, o parete), è quell'entità, materiale o puramente geometrica, che separa il sistema dall'ambiente esterno; un esempio di parete materiale è la superficie di una bombola (solitamente di ghisa), mentre un esempio di parete geometrica è la superficie di contatto tra aria e acqua in un bicchiere (o anche tra acqua e bicchiere).

Classificazione di una superficie di controllo

La parete di un sistema termodinamico può essere classificata per tre parametri essenziali: permeabilità, rigidità 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.

Sistemi termodinamici

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.

Bibliografia

• (EN) Ricardo Morales-Rodriguez, Thermodynamics - Fundamentals and Its Application in Science, InTech, 2012, ISBN 978-953-51-0779-8.
• Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8.

Voci correlate

• Sistema semplice comprimibile
• Ambiente (termodinamica)
• Stato termodinamico

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