Re: Equilibrio termodinamico

From: Elio Fabri <elio.fabri_at_tiscali.it>
Date: Thu, 21 Jan 2010 20:34:22 +0100

AugustoM ha scritto:
> Il problema � che mi piacerebbe potere avere una definizione generale
> e semplice di *equilibrio termodinamico* che valga anche per i sistemi
> complessi come i solidi, (da spiegare a ragazzi delle superiori)
>
> Si potrebbe dire che c'� equilibrio termodinamico quando il valore
> delle variabili termodinamiche necessarie e sufficienti a descriverlo
> si mantiene costante nel tempo (pur non necessariamente nello spazio)?
>
> Oppure � meglio limitare questa definizione solo per i fluidi,
> ignorando del tutto (sigh!) i solidi perch� sono troppo complicati?
Il mio suggerimento e' di *non partire* dalle definizioni.
Non dimentichiamoci che stiamo facendo fisica, non logica o
matematica!
Quindi per prima cosa occorre prendere conoscenza coi fatti e coi
fenomeni.

Nel nostro ambito, il primo passo da fare e' di cercare il piu' ampio
campo possibile di fenomeni, che coinvolgano i piu' diversi oggetti
(sistemi) per far osservare come, sotto larghissime condizioni, questi
oggetti siano luogo di _cambiamenti_ (trasformazioni) che pero' piu' o
meno lentamente finiscono per estinguersi.
(Sempre che non ci siano azioni esterne persistenti che tengono
"vive" le trasformazioni.)
Cercate insieme, tu e i ragazzi, questi esempi.

Ne potrete concludere che c'e' una "tendenza all'equilibrio", dove
"equilibrio" e' il termine generale che useremo appunto per indicare
l'assenza di cambiamenti.
Il punto e' delicato: di quali cambiamenti ci dobbiamo occupare? Come
facciamo a essere sicuri che non ci siano cambiamenti di cui non ci
accorgiamo? Ecc.
Benissimo: niente di male. La fisica e' una scienza *sperimentale* e
quindi le cose s'imparano facendole. Man mano che si approfondisce lo
studio di un sistema se ne possono scoprire aspetti inizialmente non
visti; si possono inventare tecniche per mettere in evidenza fenomeni
che inizialmente erano sfuggiti...
Non ha importanza: non bisogna fasciarsi la testa per questo.

Intanto si comincia a dare una definizione provvisoria di equilibrio.
Nel precisare questa definizione si rende subito necessario
individuare *che cosa* indica o misura i cambiamenti (trasformazioni):
saranno le variabili termodinamiche, ma lo si capira' man mano.

Un esempio semplice: se voglio gonfiare una gomma collegandola a un
serbatoio di aria compressa, vedo che dell'aria passa dal serbatoio
alla gomma, ma a un certo punto il movimento cessa.
Come definiro' l'equilibrio?
Una prima risposta ingenua sara': quando sara' cessato lo spostamento
dell'aria.
In un secondo tempo mi accorgero' che nel fenomeno ci sono state
variazioni di temperatura, e che queste impiegano piu' tempo per
equilibrarsi.

Oppure: scarico un condensatore su una resistenza. Succede una cosa
analoga: il condensatore si scarica rapidamente, ma la resistenza si
scalda, e ci mette un certo tempo per tornare a temperatura ambiente.
Questo secondo esempio (ma anche il primo) portera' anche alla
necessita' di chiarire se il sistema e' isolato dall'ambiente esterno
oppure no, perche' nel secondo caso l'equilibrio coinvolge anche
l'ambiente.

Oppure: metto in un bicchiaere d'acqua un po' di sale.
Aspetto, e a un certo punto il sale e' scomparso (si e' sciolto
nell'acqua).
La trasformazione e' terminata?
No, perche' a un esame piu' accurato (con quali strumenti?) vedo che
la concentrazione del sale nella soluzione e' tutt'altro che uniforme.
Aspettando molto, la diffusione la rendera' uniforme, e da questo
imparero' che in certi casi tra le variabili da prendere in esame c'e'
una grandezza chiamata "concentrazione".

Giorgio Pastore ha scritto:
> 2. (pi� importante) la possibilit� di caratterizzare il sistema
> mediante poche variablili (termodinamiche) presuppone ' equilibrio e
> quindi non pu� essere usata per definirlo.
Quanto ho detto sopra indica come si potrebbe affrontare tale
difficolta'.
Il fatto e' che non dobbiamo fare dell'assiomatica, e possiamo quindi
benissimo imparare per gradi e *insieme* che cos'e' l'equilibrio e che
cosa sono le variabili termodinamiche.
Poi magari daremo delle definizioni riassuntive di cio' che abbiamo
capito. Ma le definizioni sono un *punto di arrivo*.

> Meglio di no. O meglio, i solidi cristallini dal punto di vista
> termodinamico sono complicati (inavvicinabili a livello di scuola
> superiore): invece della coppia di variabili coniugate
> pressione-volume occorre passare alla coppia tensore degli
> sforzi-tensore delle deformazioni :-(
Forse sono d'accordo, ma potrebbe anche dipendere dalla classe...
In fin dei conti i solidi sono molto piu' oggetti di esperienza comune
che non i gas, quindi vedere, almeno a grandissime linee, che per i
solidi (non solo cristallini: anche amorfi come il vetro) la sola
pressione non basta, potrebbe non essere male.
Cosi' si capisce che non e' un caso se la termodinamica comincia dallo
studio dei gas: e' che sono molto piu semplici, sia dal punto di vista
termodinamico (macroscopico) sia da quello del modello microscopico.

> Tuttavia, anche a livello delle superiori sarebbe utile far passare il
> messaggio che la termodinamica non nasce e finisce con i fluidi.
> Dimostrare che le propriet� magnetiche dipendono dalla temperatura non
> � complicato (alla peggio un filmino) ma ci sono anche cose pi�
> sempici.
Daccordissimo.

Aleph ha scritto:
> Credo che un buon esempio di sistemi termodinamici complessi in
> equilibrio termodinamico, che serve a generalizzare il discorso, e
> forse a ricomprendere anche i tuoi casi particolari, siano le stelle.
>
> Tali sistemi sono considerati in equilibrio termodinamico (locale)
> nonostante temperatura, pressione, densit� e altre grandezze
> termodinamiche varino spazialmente con simmetria radiale e un flusso
> stabile di energia ed entropia ne attraversi la struttura.
Personalmente questo non lo chiamerei equilibrio.
Incidentalmente, non c'e' solo un flusso di entropia, ma anche una
creazione.
Poi ci sono reazioni nucleari, almeno nella parte centrale, ci sono
moti convettivi...
Abbiamo a che fare con l'osservazione di Giorgio:
> 1. anche situazioni stazionarie di non equilibrio corrispondono a
> variazioni temporali nulle;
e si possono fare esempi piu' accessibili.

- Una pentola d'acqua sul fuoco basso (che non bolla...).
- Un filo percorso da corrente, con effetto Joule.
- I radiatori di un termosifone: intendo la parte metallica.
- Una cella elettrolitica con elettrodi uguali: in opportune
condizioni uno si corrode, sull'altro si deposita metallo,
nell'elettrolita non cambia niente.

Ultima osservazione sul problema dell'equilibrio di pressione in
presenza di gravita'.
E' un esempio delle cose che si possono lasciare da parte in un primo
tempo, anche se potrebbe venir colto da qualceh ragazzo, che sappia
della variazioni di pressione atmosferica con l'altezza.
Comunque la regola generale e' che l'equilibrio meccanico significa
uguale pressione solo in assenza di "forze di volume", come appunto la
gravita'.
Altrimenti la regola e' la legge di Stevino: e' l'insieme di *tutte* le
forze, di volume e di superficie, che deve essere equilibrato.
                                             

-- 
Elio Fabri
Received on Thu Jan 21 2010 - 20:34:22 CET

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