PROCESSI TERMODINAMICI: TIPOLOGIE ED ESEMPI - CHIMICA - 2026

I processi termodinamici sono fenomeni fisici o chimici che coinvolgono il flusso di calore (energia) o il lavoro tra un sistema e l'ambiente circostante. Quando si parla di calore, viene in mente razionalmente l'immagine del fuoco, che è la manifestazione per eccellenza di un processo che rilascia molta energia termica.

Il sistema può essere sia macroscopico (un treno, un razzo, un vulcano) che microscopico (atomi, batteri, molecole, punti quantici, ecc.). Questo è separato dal resto dell'universo per considerare il calore o il lavoro che lo entra o lo lascia.

Tuttavia, non solo esiste il flusso di calore, ma i sistemi possono anche generare cambiamenti in alcune variabili nel loro ambiente in risposta al fenomeno considerato. Secondo le leggi termodinamiche, deve esserci un compromesso tra risposta e calore in modo che la materia e l'energia siano sempre conservate.

Quanto sopra è valido per i sistemi macroscopici e microscopici. La differenza tra la prima e l'ultima sono le variabili che vengono considerate per definire i loro stati energetici (in sostanza, iniziale e finale).

Tuttavia, i modelli termodinamici cercano di collegare entrambi i mondi controllando variabili come pressione, volume e temperatura dei sistemi, mantenendo alcune di queste costanti per studiare l'effetto delle altre.

Il primo modello che permette questa approssimazione è quello dei gas ideali (PV = nRT), dove n è il numero di moli, che diviso per il volume V dà il volume molare.

Quindi, esprimendo i cambiamenti tra l'ambiente del sistema in funzione di queste variabili, se ne possono definire altre, come il lavoro (PV = W), essenziale per macchine e processi industriali.

D'altra parte, per i fenomeni chimici, altri tipi di variabili termodinamiche sono di maggiore interesse. Questi sono direttamente correlati al rilascio o all'assorbimento di energia e dipendono dalla natura intrinseca delle molecole: la formazione e i tipi di legami.

Sistemi e fenomeni nei processi termodinamici

Nell'immagine in alto sono rappresentati i tre tipi di sistemi: chiuso, aperto e adiabatico.

Nel sistema chiuso non c'è trasferimento di materia tra esso e l'ambiente circostante, in modo che nessuna materia possa entrare o uscire; tuttavia, l'energia può attraversare i confini della scatola. In altre parole: il fenomeno F può rilasciare o assorbire energia, modificando ciò che sta oltre la scatola.

D'altra parte, nel sistema aperto gli orizzonti del sistema hanno le loro linee tratteggiate, il che significa che sia l'energia che la materia possono andare e venire tra esso e l'ambiente circostante.

Infine, in un sistema isolato lo scambio di materia ed energia tra esso e l'ambiente circostante è nullo; per questo nell'immagine il terzo riquadro è racchiuso in una bolla. È necessario chiarire che l'ambiente circostante può essere il resto dell'universo, e che lo studio è quello che definisce fino a che punto considerare l'ambito del sistema.

Fenomeni fisici e chimici

Cos'è nello specifico il fenomeno F? Indicato dalla lettera F e all'interno di un cerchio giallo, il fenomeno è un cambiamento che avviene e può essere la modificazione fisica della materia, o la sua trasformazione.

Qual è la differenza? In poche parole: il primo non interrompe né crea nuovi collegamenti, mentre il secondo sì.

Quindi, un processo termodinamico può essere considerato a seconda che il fenomeno sia fisico o chimico. Tuttavia, entrambi hanno in comune un cambiamento in alcune proprietà molecolari o atomiche.

Esempi di fenomeni fisici

Il riscaldamento dell'acqua in una pentola provoca un aumento delle collisioni tra le sue molecole, al punto in cui la pressione del suo vapore è uguale alla pressione atmosferica, e quindi avviene il passaggio di fase da liquido a gas. In altre parole: l'acqua evapora.

Qui le molecole d'acqua non stanno rompendo nessuno dei loro legami, ma stanno subendo cambiamenti energetici; o qual è lo stesso, l'energia interna U dell'acqua viene modificata.

Quali sono le variabili termodinamiche per questo caso? La pressione atmosferica P _ex , il prodotto di temperatura della combustione del gas di cottura e il volume dell'acqua.

La pressione atmosferica è costante, ma la temperatura dell'acqua no, poiché si riscalda; né il volume, perché le sue molecole si espandono nello spazio. Questo è un esempio di un fenomeno fisico all'interno di un processo isobarico; cioè un sistema termodinamico a pressione costante.

E se mettessi l'acqua con alcuni fagioli in una pentola a pressione? In questo caso il volume rimane costante (fintanto che la pressione non viene rilasciata durante la cottura dei fagioli), ma la pressione e la temperatura cambiano.

Questo perché il gas prodotto non può fuoriuscire e rimbalza sulle pareti della pentola e sulla superficie del liquido. Parliamo quindi di un altro fenomeno fisico ma all'interno di un processo isocoro.

Esempi di fenomeni chimici

È stato detto che ci sono variabili termodinamiche inerenti a fattori microscopici, come la struttura molecolare o atomica. Quali sono queste variabili? Entalpia (H), entropia (S), energia interna (U) e energia libera di Gibbs (S).

Queste variabili intrinseche della materia sono definite ed espresse in termini di variabili termodinamiche macroscopiche (P, T e V), secondo il modello matematico selezionato (generalmente quello dei gas ideali). Grazie a questo si possono effettuare studi termodinamici sui fenomeni chimici.

Ad esempio, si desidera studiare una reazione chimica di tipo A + B => C, ma la reazione si verifica solo a una temperatura di 70 ºC. Inoltre, a temperature superiori a 100 ºC, invece di produrre C, D.

In queste condizioni il reattore (l'assieme dove avviene la reazione) deve garantire una temperatura costante intorno ai 70 ºC, quindi il processo è isotermico.

Tipi ed esempi di processi termodinamici

Processi adiabatici

Sono quelli in cui non c'è trasferimento netto tra il sistema e l'ambiente circostante. Questo a lungo termine è garantito da un sistema isolato (la scatola all'interno della bolla).

Esempi

Un esempio sono i calorimetri, che determinano la quantità di calore rilasciata o assorbita da una reazione chimica (combustione, dissoluzione, ossidazione, ecc.).

All'interno dei fenomeni fisici c'è il movimento generato dal gas caldo dovuto alla pressione esercitata sui pistoni. Allo stesso modo, quando una corrente d'aria esercita una pressione su una superficie terrestre, la sua temperatura aumenta poiché è costretta ad espandersi.

D'altra parte, se l'altra superficie è gassosa e ha una densità inferiore, la sua temperatura diminuirà quando sentirà una pressione maggiore, costringendo le sue particelle a condensare.

I processi adiabatici sono ideali per molti processi industriali, dove una minore perdita di calore significa prestazioni inferiori che si riflettono sui costi. Per considerarlo tale, il flusso di calore deve essere zero oppure la quantità di calore in ingresso nell'impianto deve essere uguale a quella che entra nell'impianto.

Processi isotermici

I processi isotermici sono tutti quelli in cui la temperatura dell'impianto rimane costante. Lo fa lavorando, in modo che le altre variabili (P e V) variano nel tempo.

Esempi

Gli esempi di questo tipo di processo termodinamico sono innumerevoli. In sostanza, gran parte dell'attività cellulare avviene a temperatura costante (lo scambio di ioni e acqua attraverso le membrane cellulari). All'interno delle reazioni chimiche, tutti quelli che stabiliscono equilibri termici sono considerati processi isotermici.

Il metabolismo umano riesce a mantenere una temperatura corporea costante (circa 37ºC) attraverso un'ampia serie di reazioni chimiche. Ciò si ottiene grazie all'energia ottenuta dal cibo.

Anche i cambiamenti di fase sono processi isotermici. Ad esempio, quando un liquido si congela rilascia calore, impedendo alla temperatura di continuare a diminuire fino a quando non è completamente in fase solida. Una volta che ciò accade, la temperatura può continuare a diminuire, perché il solido non rilascia più energia.

In quei sistemi che coinvolgono i gas ideali, la variazione dell'energia interna U è pari a zero, quindi tutto il calore viene utilizzato per lavorare.

Processi isobarici

In questi processi la pressione nell'impianto rimane costante, variandone volume e temperatura. In generale possono verificarsi in sistemi aperti all'atmosfera, oppure in sistemi chiusi i cui confini possono essere deformati dall'aumento di volume, in modo da contrastare l'aumento di pressione.

Esempi

Nei cilindri all'interno dei motori, quando il gas viene riscaldato, spinge il pistone, che cambia il volume del sistema.

Se così non fosse, la pressione aumenterebbe, poiché il sistema non ha modo di ridurre gli urti delle specie gassose sulle pareti del cilindro.

Processi isocorici

Nei processi isocorici il volume rimane costante. Possono anche essere considerati come quelli in cui il sistema non genera lavoro (W = 0).

Fondamentalmente, sono fenomeni fisici o chimici che vengono studiati all'interno di qualsiasi contenitore, con agitazione o meno.

Esempi

Esempi di questi processi sono la cottura del cibo, la preparazione del caffè, il raffreddamento di una bottiglia di gelato, la cristallizzazione dello zucchero, la dissoluzione di un precipitato scarsamente solubile, una cromatografia a scambio ionico, tra gli altri.

Riferimenti

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