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Primo principio della termodinamica

L'energia interna U è l'energia totale delle molecole dentro un sistema. Cambia solo in due modi: con il calore Q (energia che passa a causa di una differenza di temperatura) e con il lavoro W (energia spostata da una forza, come un pistone che si muove). Primo principio: ΔQ = ΔU + ΔW. Il calore dato a un gas in parte ne aumenta l'energia interna e in parte gli permette di compiere lavoro. Il lavoro di un gas a pressione costante è PΔV. Per un gas ideale Cp − Cv = R.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Un gas in un cilindro. Le palline blu sono molecole. La loro energia di movimento totale è l'energia interna U. La barra a destra mostra U.
  2. Il pistone è bloccato. Una fiamma dà calore Q. Il gas non può spingere nulla, quindi tutto Q va in U. Le molecole si muovono più veloci. ΔU = Q.
  3. Ora niente fiamma e pareti isolanti. Spingiamo il pistone verso il basso. Anche il lavoro fatto sul gas fa salire U. Il calore non è l'unico modo per scaldare un gas.
  4. Pistone libero, fiamma accesa. Il calore Q si divide in due parti: ΔU (il gas si scalda) e W (il gas solleva il pistone). Q = ΔU + W. Questo è il primo principio.
  5. Lavoro del gas: il pistone sale di Δh, il volume cresce di ΔV = AΔh. A pressione costante P, W = PΔV. A pressione costante serve altro calore per questo lavoro, quindi Cp è maggiore di Cv.
  6. Tocca a te: scegli il calore Q e quanto può salire il pistone. Guarda le tre barre: sono sempre in equilibrio, Q = ΔU + W.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Un gas caldo contiene più calore?

Un gas caldo ha più energia interna. Il "calore" è solo l'energia che entra o esce. Guarda la barra di U crescere quando la fiamma è accesa.

Come può un gas scaldarsi senza fiamma?

Facendo lavoro su di esso. Spingere il pistone dà energia alle molecole, quindi U sale anche con le pareti isolanti.

Dove va il calore quando il pistone è libero?

Una parte aumenta U, una parte solleva il pistone come lavoro. Le due barre sommate danno la barra del calore.

Perché il lavoro è uguale a PΔV?

La forza sul pistone è P × A; il pistone si sposta di Δh; il lavoro è P × A × Δh = P × ΔV.

Perché Cp è maggiore di Cv?

A pressione costante il gas compie anche lavoro sollevando il pistone, quindi serve più calore per lo stesso aumento di temperatura.

ΔU può essere negativo mentre si dà calore?

Sì, se il gas compie più lavoro del calore che riceve. Prova con Q piccolo e una grande salita nel passo di gioco libero.

Energia interna

Ogni gas è fatto di molecole minuscole sempre in movimento. L'energia interna U è l'energia totale di tutte queste molecole (energia di movimento e, nei gas reali, energia delle forze con cui si attraggono). Non comprende il moto dell'intero contenitore.

Per un gas ideale, U dipende solo dalla temperatura. Gas più caldo → molecole più veloci → U più grande.

U è una variabile di stato: dipende solo dallo stato attuale, non da come ci si è arrivati.

Calore e lavoro: due modi per cambiare U

Il calore (Q) è energia che passa tra il sistema e l'ambiente a causa di una differenza di temperatura. Una fiamma scalda il gas.

Il lavoro (W) è energia spostata da una forza lungo uno spostamento, senza bisogno di una differenza di temperatura. Un pistone spinto dalla tua mano scalda il gas.

Calore e lavoro non sono "contenuti" in un corpo. Sono energia in transito. Un corpo ha energia interna; non "ha" calore o lavoro. Per questo Q e W non sono variabili di stato: dipendono dal percorso.

Joule ha mostrato che una certa quantità di lavoro produce sempre lo stesso riscaldamento di una certa quantità di calore. Quindi il calore è solo una forma di energia, misurata in joule (1 cal = 4,186 J).

Il primo principio della termodinamica

Il primo principio è la legge di conservazione dell'energia applicata a calore e lavoro:

ΔQ = ΔU + ΔW

Regole dei segni (convenzione della fisica)

(Alcuni libri di chimica scrivono ΔU = q + w, con w = lavoro fatto sul gas. È la stessa legge con il segno di W cambiato.)

Casi particolari: in un ciclo ΔU = 0, quindi Q = W. Se non entra calore (sistema isolato), ΔU = −W.

Lavoro di un gas: W = PΔV

Un gas a pressione P spinge un pistone di area A per un piccolo tratto Δx. La forza è PA, quindi il lavoro è PA × Δx. Ma A × Δx è l'aumento di volume ΔV. Perciò

W = P ΔV (quando P resta costante)

Se P cambia, W = area sotto la curva P–V. Espansione (ΔV > 0) → il gas compie lavoro positivo. Compressione → lavoro negativo.

Calori specifici di un gas e Cp − Cv = R

Il calore specifico molare è il calore che serve per alzare di 1 K la temperatura di 1 mol. Per un gas dipende da come lo si scalda.

Dimostrazione di Cp − Cv = R (relazione di Mayer)

Scaldiamo 1 mol di ΔT a pressione costante. Primo principio: CpΔT = ΔU + PΔV.

ΔU è uguale a quello a volume costante (U dipende solo da T): ΔU = CvΔT.

Da PV = RT a P costante: PΔV = RΔT.

Quindi CpΔT = CvΔT + RΔT, da cui Cp − Cv = R.

Consiglio per l'esame: questa dimostrazione e gli esercizi su ΔQ = ΔU + ΔW escono quasi ogni anno.

Provalo a casa

Strofina forte i palmi delle mani per 10 secondi. Si scaldano. Hai fatto lavoro e questo è diventato energia interna. Ora gonfia dieci volte una gomma di bicicletta e tocca il fondo della pompa: è di nuovo calda. Il lavoro fatto sull'aria ne aumenta U, proprio come il calore.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Un gas assorbe 500 J di calore e compie 200 J di lavoro. Trova la variazione di energia interna.

ΔU = ΔQ − ΔW = 500 − 200 = 300 J. L'energia interna aumenta di 300 J.

2. Su un gas si fanno 800 J di lavoro e il gas cede 300 J di calore. Trova ΔU.

Lavoro sul gas: ΔW = −800 J. Calore ceduto: ΔQ = −300 J. ΔU = ΔQ − ΔW = −300 − (−800) = +500 J.

3. Un gas a pressione costante di 2 × 10⁵ Pa si espande da 1 L a 4 L. Trova il lavoro che compie.

ΔV = 3 L = 3 × 10⁻³ m³. W = PΔV = 2 × 10⁵ × 3 × 10⁻³ = 600 J.

4. Nell'esempio precedente il gas riceve anche 1500 J di calore. Di quanto cambia la sua energia interna?

ΔU = ΔQ − ΔW = 1500 − 600 = 900 J.

5. 2 mol di gas ideale vengono scaldate da 300 K a 350 K a volume costante. Cv = 20.8 J mol⁻¹ K⁻¹. Trova il calore fornito.

A volume costante W = 0, quindi ΔQ = ΔU = nCvΔT = 2 × 20.8 × 50 = 2080 J.

6. Le stesse 2 mol vengono scaldate da 300 K a 350 K a pressione costante. Trova il calore necessario e il lavoro compiuto (R = 8.3).

Cp = Cv + R = 29.1 J mol⁻¹ K⁻¹. ΔQ = nCpΔT = 2 × 29.1 × 50 = 2910 J. ΔU = 2080 J (come prima). W = ΔQ − ΔU = 830 J. Verifica: nRΔT = 2 × 8.3 × 50 = 830 J. ✓

7. Un gas compie un ciclo completo e torna allo stato iniziale. In totale assorbe 1200 J. Quanto lavoro netto compie?

In un ciclo ΔU = 0 (U è una variabile di stato). Quindi ΔW = ΔQ = 1200 J.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. Il primo principio della termodinamica si basa sulla conservazione di:
2. Un gas assorbe 100 J e compie 40 J di lavoro. ΔU vale:
3. Quale è una variabile di stato?
4. A volume costante, il lavoro compiuto da un gas è:
5. Per un gas ideale Cp − Cv è uguale a:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Che cos'è il primo principio della termodinamica in parole semplici?

L'energia non si perde mai. Il calore dato a un sistema serve ad aumentare la sua energia interna e a fargli compiere lavoro: ΔQ = ΔU + ΔW.

Che cos'è l'energia interna?

L'energia totale delle molecole dentro un sistema. Per un gas ideale dipende solo dalla temperatura.

Perché Cp − Cv = R?

A pressione costante il gas compie un lavoro in più PΔV = RΔT per mole, quindi servono R di calore in più per mole per kelvin.

Dove si studia

ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
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PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIThermodynamics
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RomaniaClasa a X-aElements of thermodynamics
Spain1º BachilleratoEnergy
Ukraine10 класMolecular physics and thermodynamics
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CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
CBSE (India)Class 11Thermodynamics
England (GCSE, A level)Year 133.11 Engineering physics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermodynamics and Electrochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Thermodynamics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Energy
South Korea고등학교 2학년Heat and energy
South Korea고등학교 3학년Western science
South Korea고등학교 3학년Mechanical interactions
FranceTerminaleEnergy
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy conversions and transfers
FranceTerminaleLab sciences: Systems and processes
Russia10 классThermodynamics and heat engines
Russia10 классThermodynamics
China高三Selective 3 Ch.3 Laws of thermodynamics

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