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Primo principio della termodinamica: formula ed esercizi

Primo principio della termodinamica

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Il primo principio della termodinamica è uno degli argomenti fondamentali di fisica, uno di quelli assolutamente da studiare.

Pertanto, questa lezione di fisica ti sarà utile sia se studi alle scuole superiori sia se ti stai preparando per il test di medicina e odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie.

Leggi l’articolo con la teoria e le formule e guarda il video sul primo principio della termodinamica spiegato dalla nostra tutor di fisica, con alcuni esercizi svolti.

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Primo principio della termodinamica

Cosa dice il primo principio della termodinamica? L’enunciato del primo principio della termodinamica recita:

l’energia interna (U) di un sistema termodinamico chiuso è costante.

Per sistema termodinamico ci si riferisce a un sistema qualsiasi, a meno che non sia esplicitato.

Infatti, la prima legge della termodinamica è un’estensione della legge di conservazione dell’energia. Ogni sistema ha una sua energia interna in base allo stato in cui si trova. Tuttavia, a noi non interessa tanto sapere il valore di questa energia interna, piuttosto conoscere la differenza di energia interna in conseguenza della variazione di stato del sistema.

Pertanto, dato il primo principio della termodinamica che si riferisce a un sistema isolato, per avere una variazione di energia interna del sistema è necessario che si verifichi uno scambio di energia con l’esterno. Questo scambio di energia avviene in due modi:

  • per passaggio di calore tra il sistema e l’ambiente esterno;
  • tramite il lavoro esercitato dal sistema sul l’ambiente o viceversa dall’ambiente sul sistema.

Da cui, possiamo scrivere che:

la variazione di energia interna di un sistema è pari alla differenza tra il calore scambiato con l’ambiente e il lavoro esercitato dal sistema sull’ambiente esterno e viceversa.

Infine, possiamo dare anche un’altra interpretazione del primo principio della termodinamica:

l’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo convertita da una forma a un’altra.

Primo principio della termodinamica: formula

La formula del primo principio della termodinamica è molto semplice:

∆U = Q – L dove:

  • ∆U è la variazione di energia interna del sistema termodinamico durante una trasformazione;
  • Q è il calore, acquistato dall’ambiente o ceduto all’ambiente;
  • L è il lavoro svolto dal sistema sull’ambiente o dall’ambiente sul sistema.

In un sistema isolato, dato che l’energia non si crea né si distrugge:

∆U = 0

Invece, calore e lavoro entrano in gioco nella trasformazione dell’energia. Quando si verifica una variazione dell’energia interna di un sistema non isolato vuol dire che c’è stato uno scambio di calore e lavoro, che può avvenire in modi diversi.

Ma la variazione di energia interna non dipende da come calore e lavoro vengono scambiati.  Per questo in fisica l’energia interna è una funzione di stato, mentre calore e lavoro sono proprietà delle trasformazioni.

Approfondisci: vai agli articoli con video ed esercizi su calore e calore latente.

Primo principio della termodinamica: i segni

Per comprendere bene la formula del primo principio della termodinamica, è necessario sapere come funzionano i segni di Q e L.

Per convenzione, consideriamo:

  • positivo il calore ricevuto dal sistema e negativo il calore ceduto dal sistema all’ambiente;
  • al contrario, è positivo il lavoro compiuto dal sistema sull’ambiente e negativo il lavoro compiuto dall’ambiente sul sistema.

Se invece del sistema consideriamo l’ambiente, i segni vanno invertiti.

Infine, se non seguiamo la convenzione e prendiamo come negativo il lavoro compiuto dal sistema sull’ambiente e positivo quello compiuto sul sistema dall’ambiente, la formula diventa:

∆U = Q + L

Spiegazione primo principio della termodinamica

Innanzitutto, facciamo una precisazione. Il primo principio della termodinamica può essere spiegato ma non dimostrato matematicamente.

Quindi, immaginiamo che ci sia una trasformazione dallo stato A allo stato B con:

  • ∆Q = Q (A→B)
  • ∆L = L (A →B)

Affinché l’energia interna del sistema aumenti:

∆U > 0 con Q – L > 0 ossia Q > L

Per cui, considerando la convenzione dei segni vista sopra, si verifica un aumento dell’energia interna se:

  • il sistema acquisisce calore dall’ambiente in valore maggiore del lavoro compiuto;
  • il sistema acquisisce calore mentre l’ambiente esercita lavoro su di esso;
  • il sistema cede calore e l’ambiente compie lavoro sul sistema in valore assoluto maggiore rispetto a quello del calore ceduto.

Invece, nel caso in cui il sistema ceda calore all’ambiente ed eserciti lavoro su di esso, non può esserci una variazione positiva dell’energia interna del sistema.

Per capire meglio il primo principio della termodinamica, guarda anche il video con alcuni esercizi svolti sul primo principio della termodinamica dalla nostra tutor di fisica.

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Immagine in evidenza Abel Escobar da Pixabay

Paola Pala

Paola Pala

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