I sistemi termodinamici

La termodinamica (il cui nome deriva dalle parole greche thermon = calore e dinamis = forza) è quel ramo della fisica che studia i fenomeni nei quali avvengono scambi di calore tra un sistema e l'ambiente circostante. In particolare, la termodinamica si occupa delle trasformazioni del calore in lavoro e viceversa, e più in generale delle reciproche trasformazioni tra le varie forme di energia in sistemi interagenti tra loro.

Per sistema termodinamico si intende una porzione di materia idealmente isolata dal resto dell'Universo, che viene considerato come ambiente esterno. Un sistema termodinamico non viene trattato dal punto di vista delle caratteristiche microscopiche della sua struttura interna, ma dal punto di vista macroscopico. Le sue caratteristiche sono identificate mediante grandezze, quali la temperatura, la pressione e il volume, che si possono misurare direttamente e che vengono dette coordinate termodinamiche. Le basi concettuali della termodinamica poggiano su due principi fondamentali, il primo e il secondo principio della termodinamica, che hanno carattere generale e ai quali sono soggetti tutti i sistemi esistenti in natura, indipendentemente dalle loro caratteristiche interne.

Fino agli inizi del XIX sec. la scienza del calore (detta termologia) costituiva un filone a sé stante della fisica e, benché già nel XVIII sec. fossero state realizzate macchine che convertivano calore in lavoro (come per esempio le macchine a vapore), la scienza non era ancora riuscita a chiarire concettualmente il collegamento esistente fra queste due grandezze. Anche grandi scienziati come Galileo e Newton, che si interessarono anche di problemi legati al calore, non riuscirono a intuire tale legame, che avrebbe in seguito avuto enormi conseguenze nella storia dell'uomo, poiché fu la chiave di volta della rivoluzione industriale. La termodinamica classica ha come basi un insieme di conoscenze che si svilupparono lentamente e non senza difficoltà nel corso del XIX sec., per opera di grandi scienziati come S. Carnot, J. Joule, lord Kelvin e altri. Originariamente finalizzata allo studio delle conversioni energetiche, la termodinamica si è in seguito estesa, attraverso lo studio dei processi e delle proprietà della materia, a tutti i settori della fisica, della chimica e della biologia, configurandosi come disciplina scientifica di importanza centrale per le sue connessioni con i vari campi del sapere scientifico.