Introduzione

Chi studia fisica in genere si sofferma su un fenomeno che occupa una regione limitata di spazio nella quale si trovano uno o più corpi materiali interagenti (un proiettile, un sistema planetario, un cilindro che rotola, un gas, ecc…). A tale regione e a ciò che contiene si dà il nome di sistema fisico o semplicemente sistema. Il sistema talvolta è limitato dal resto dell’universo da una superficie materiale rigida o deformabile. Talvolta la superficie è solo immaginaria ed introdotta per delimitare il sistema da ciò che non ne fa parte e che prende il nome di ambiente esterno. Il sistema e l’ambiente esterno formano, evidentemente, l’intero universo. Ci sono fisici il sui sistema di interesse è addirittura l’intero universo.

Il sistema e l’ambiente esterno hanno modo di interagire attraverso la superficie di separazione e possono scambiare materia e/o energia. Nei cosiddetti sistemi aperti la materia esce dal sistema per far parte dell’ambiente esterno o viceversa, quindi scambiando sia materia che energia. Il caso opposto è quello dei sistemi isolati in cui non c’è scambio né di energia, né di materia. Il caso intermedio è fornito dai sistemi chiusi che impediscono solo lo scambio di materia. Nel seguito non ci occuperemo di sistemi aperti.

Sistema termodinamico

Un caso particolare è il sistema termodinamico in cui, per descriverlo, si introducono diverse grandezze fisiche tra cui la temperatura. Come si vedrà più avanti, la temperatura si può definire per sistemi macroscopici. Esempi di sistemi termodinamici sono: un gelato, il corpo umano, un gas in un cilindro con pistone mobile, una pentola con aqua posta su un fornello, l’atmosfera terrestre, il sole, ecc… Da questi pochi esempi si capisce che qualsiasi cosa in cui dobbiamo ricorrere alla temperatura è un sistema termodinamico ed in fondo qualsiasi cosa che appare ai nostri occhi potrebbe essere considerato un sistema termodinamico, anche quei sistemi che in passato abbiamo studiato come punto materiale.

I sistemi termodinamici sono studiati dalla termodinamica la quale si occupa degli scambi di energia tra il sistema e l’ambiente esterno. Gli scambi di energia avvengono a causa delle forze esterne al sistema e al lavoro che esse svolgono sulle parti di cui è composto il sistema stesso.

Variabili termodinamiche

Oltre alla temperatura, per descrivere i sistemi termodinamici, si introducono altre grandezze fisiche note come coordinate o variabili termodinamiche (sono anche dette variabili di stato). Esse descrivono il sistema nel suo complesso, come un tutt’uno, trascurando i dettagli riguardanti le singole parti di cui può essere composto il sistema. Alcune di esse sono: il volume, la pressione, la densità, il numero di particelle (atomi o molecole), l’energia totale (cinetica e potenziale). Ciò è possibile perché il sistema tende, con i vincoli imposti dall’ambiente esterno, a portarsi in una condizione in cui le variabili termodinamiche non variano nel tempo. Tale condizione è detta di equilibrio termodinamico. Per capire perchè sia possibile introdurre, per esempio, la pressione o la temperatura, ovvero perchè esistono gli stati di equilibrio termodinamico, è necessario esaminare le interazioni nel sistema a livello microscopico. Solo a questo livello è possibile cogliere alcuni aspetti probabilistici che a livello macroscopico si manifestano in ciò che osserviamo tutti giorni.

Un sistema caratterizzato da variabili termodinamiche è detto essere in uno stato termodinamico. Se si riesce a trovare una relazione tra le variabili termodinamiche allora essa prende il nome di equazione di stato. Più avanti ne incontreremo una per il sistema gas perfetto.

Sotto l’azione delle forze esterne il sistema evolve da uno stato termodinamico ad un altro attraverso degli stati intermedi. Come vedremo più avanti, per calcolare l’energia scambiata dal sistema, è necessario supporre di conoscere tutti gli stati intermedi. L’insieme di tutti gli stati in cui si è trovato il sistema definisce la trasformazione termodinamica.

Avvertenze

La comprensione dei fenomeni termodinamici, tipici dei sistemi termodinamici, non può prescindere dalla conoscenza da ciò che succede a livello atomico. Chi se ne occupa deve quindi possedere conoscenze di chimica, calcolo delle probabilità e statistica, elettromagnetismo, meccanica quantistica. In caso contrario avrà, nei casi fortunati, una visione confusa del fenomeno e, nei casi sfortunati, una serie di nozioni errate e sterili che sarebbe meglio non avere affatto. Questi argomenti sono purtroppo, mentre scrivo, oggetto di studio da parte degli studenti liceali quando le loro conoscenze sono piuttosto scarse e malferme. A peggiorare la situazione concorre anche il linguaggio tecnico tradizionale che risente di una impostazione risalente ad un periodo storico in cui la comprensione del fenomeno era molto limitata. Mi riferisco in particolare al termine calore che tutti deprecano ma continuano ad usare.

Tale termine, infatti, è già usato nel linguaggio comune come sinomino di temperatura. Molti dei problemi incontrati dallo studente derivano proprio dal tentativo, a livello didattico, di far comprendere allo studente che in termodinamica il calore non ha nulla a che vedere con la temperatura. Ma è un compito destinato a fallire, perchè lo stesso docente (ed i libri di testo), inciampa di continuo nelle insidie del linguaggio naturale e trasmette inevitabilmente significati contradditori ed errati che rinforzano gli errori concettuali.

La soluzione, nota a tutti, è non usare la parola “calore”, ma gli editori se ne guardano bene. Poichè non abbiamo editori a cui rendere conto, allora in questo sito la parola “calore” sarà bandita ed useremo altri termini che vedremo a tempo debito. Il primo vantaggio è che non dobbiamo perdere tempo a spiegare che calore e temperatura sono diversi. In pratica il termine “calore”, con questa scelta, perde lo status di grandezza fisica ed esce completamente di scena.