Trasformazioni reversibili e irreversibili

Le trasformazioni reversibili sono trasformazioni termodinamiche in cui un sistema e l'ambiente esterno possono tornare dallo stato finale allo stato iniziale ripercorrendo ogni stato termodinamico; nel caso delle trasformazioni irreversibili ciò non è possibile, a meno che intervenga un'alterazione permanente dell'universo termodinamico.

 

Riprendendo la classificazione delle trasformazioni tra quasi-statiche e non quasi-statiche, in questa lezione introdurremo il concetto di reversibilità di una trasformazione e distingueremo tra trasformazioni reversibili e irreversibili, analizzandone le rispettive proprietà e proponendo alcuni esempi concreti. Cominciamo! :)

 

Definizione di trasformazione reversibile e di trasformazione irreversibile

 

In ogni trasformazione un sistema termodinamico passa da uno stato iniziale A ad uno finale B attraverso un numero infinito di stati intermedi. Ad esempio, se rappresentiamo una trasformazione di un gas sul piano di Clapeyron V,p, ogni stato intermedio corrisponde a un punto (V,p) del grafico della funzione p=p(V) che congiunge A con B.

 

Gli stati intermedi possono essere di equilibrio o di non equilibrio, a seconda dei casi, come abbiamo visto nella lezione introduttiva sulle trasformazioni termodinamiche. Abbiamo quindi classificato le trasformazioni in due categorie: quelle quasi-statiche (stati intermedi di equilibrio) e quelle non quasi-statiche (stati intermedi di non equilibrio).

 

Il concetto di quasi-staticità ci aiuta nel definire la reversibilità di una trasformazione. Possiamo classificare le trasformazioni nel modo seguente:

 

- trasformazioni reversibili: la trasformazione avviene passando attraverso stati di equilibrio e in assenza di forze dissipative.

 

- trasformazioni irreversibili: la trasformazione avviene passando attraverso stati di non equilibrio oppure in presenza di forze dissipative, o ancora in entrambi i modi.

 

Quando si parla di forze dissipative, si intendono le forze di attrito di qualunque tipo, esattamente come in meccanica.

 

Proprietà delle trasformazioni reversibili

 

1) Il motivo per cui si usa il termine reversibile è dato dal fatto che una trasformazione di questo tipo può essere percorsa al contrario per tornare da B allo stato di partenza A, senza che il sistema e l'ambiente subiscano modifiche. Se andiamo da A a B mediante una trasformazione reversibile, abbiamo sempre la possibilità di tornare indietro da B ad A ripercorrendo gli stessi stati intermedi dell'andata a ritroso.

 

Sul piano di Clapeyron ciò significa che, se andiamo da A a B seguendo una certa trasformazione, quest'ultima ha caratteristiche tali da permetterci di andare da B ad A seguendo lo stesso grafico al contrario.

 

2) Un'ulteriore caratteristica delle trasformazioni reversibili è che non solo il sistema, ma anche l'ambiente può ripercorrere da B ad A, stato per stato, la trasformazione da A a B.

 

3) Grazie alla proprietà 2) e al primo principio della Termodinamica, possiamo analizzare cosa accade dal punto di vista energetico considerando indifferentemente uno tra sistema e ambiente esterno.

 

Per il sistema (o per l'ambiente) il lavoro scambiato in B→A è opposto rispetto al lavoro scambiato in A→B. Se nella trasformazione inversa ha compiuto lavoro, significa che ha subito lo stesso lavoro in quella diretta, e viceversa

 

W_{A\to B}+W_{B\to A}=0\ \to\ W_{B\to A}=-W_{A\to B}

 

Per il sistema (o per l'ambiente) il calore scambiato in B→A è opposto rispetto al calore scambiato in A→B. Se nella trasformazione inversa ha assorbito calore, significa che ha ceduto lo stesso calore in quella diretta, e viceversa

 

Q_{A\to B}+Q_{B\to A}=0\ \to\ Q_{B\to A}=-Q_{A\to B}

 

Infine, lo stesso discorso vale per la variazione di energia interna. Per il sistema (o per l'ambiente) la variazione di energia interna in B→A è opposta rispetto a quella in A→B. Se nella trasformazione inversa ha guadagnato energia interna, significa che ha perso la stessa energia interna in quella diretta, e viceversa

 

\Delta U_{A\to B}+\Delta U_{B\to A}=0\ \to\ \Delta U_{B\to A}=-\Delta U_{A\to B}

 

4) Possiamo dire che una trasformazione reversibile non comporta alterazioni permanenti perché è sempre possibile riportare il sistema e l'ambiente nelle condizioni iniziali.

 

Proprietà delle trasformazioni irreversibili

 

Una trasformazione irreversibile non ha le caratteristiche che abbiamo elencato poco sopra. Se un sistema si sposta da uno stato iniziale A a uno finale B tramite una trasformazione irreversibile, non è possibile tornare indietro da B ad A seguendo lo stesso percorso senza che vi sia un'alterazione permanente dell'universo termodinamico (sistema e ambiente).

 

Un esempio di trasformazione irreversibile è l'espansione libera di un gas, di cui ci occuperemo in una delle lezioni successive. Consideriamo un gas chiuso all'interno di un contenitore; poggiamo tale contenitore all'interno di un altro più grande, apriamo il primo e lasciamo che il gas si espanda spontaneamente fino a occupare tutto il nuovo volume disponibile. Così facendo abbiamo effettuato una trasformazione isoterma (a temperatura costante) in cui non avviene alcuno scambio di calore con l'ambiente, né è stato compiuto lavoro.

 

Al termine dell'espansione possiamo riportare il gas all'interno del primo contenitore più piccolo, ma per farlo dobbiamo compiere del lavoro su di esso. Tale lavoro è energia che viene sottratta all'ambiente, che così subisce una modifica permanente del proprio stato.

 

Un altro esempio di trasformazione irreversibile è dato da un pistone che si muove all'interno del cilindro di un motore di un'auto. A causa degli attriti (forze dissipative) parte del lavoro del pistone viene disperso nell'ambiente sotto forma di calore. Per tornare nello stato iniziale, l'ambiente dovrebbe usare quel calore e riconvertirlo in lavoro da esercitare sul pistone, ma ciò evidentemente non sarebbe più possibile. Anche in questo caso l'ambiente ha subito una modifica irreversibile

 

Trasformazioni reversibili e irreversibili in natura

 

Per concludere vi facciamo notare che le trasformazioni reversibili sono quelle concettualmente più utili, ma di più difficile realizzazione pratica. Sono il classico esempio di idealizzazione dei fenomeni fisici, fondamentale per capirne i principi e le dinamiche, ma che spesso di discosta dalla realtà che presenta situazioni più complesse. Come si intuisce piuttosto facilmente, le trasformazioni che avvengono più frequentemente nella realtà sono quelle irreversibili.

 

 


 

Possiamo fermarci qui. Prossima fermata: trasformazioni isoterme, con particolare riguardo verso i gas e riprendendo ciò che abbiamo già studiato riguardo alla legge di Boyle e alla legge dei gas ideali.

 

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Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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