Processi termodinamici: tipi di processi

I processi termodinamici sono processi ideali  in cui una o più proprietà sono mantenute costanti.
Lo stato termodinamico di un sistema è caratterizzato da alcuni parametri come pressione, volume e temperatura. La variazione di uno o più di questi parametri porta alla variazione dello stato del sistema che viene indicata come processo termodinamico.

Per poter esaminare i processi termodinamici si possono fare delle ipotesi che consentono di analizzare un dato sistema termodinamico .

Vengono riportati i tipi di processi termodinamici e la grandezza che viene mantenuta costante:

Processo adiabatico

In un processo adiabatico non vi è scambio di calore e di materia con l’ambiente esterno e l’energia viene trasferita dal sistema all’ambiente solo sotto forma di lavoro.

Il processo adiabatico è frequentemente una semplificazione di processi che avvengono in modo così rapido in cui si può assumere che il trasferimento di calore dal sistema all’ambiente o viceversa possa essere considerato pari a zero. Un esempio di processo adiabatico è la compressione o l’espansione di un gas all’interno di un cilindro di un motore che, nonostante i cilindri non siano isolati, avvenendo in modo repentino, l’energia trasferita all’ambiente circostante può essere considerata trascurabile.

Per un processo adiabatico reversibile vale l’equazione pV^γ = costante essendo γ il rapporto tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costante.

Processo isoentalpico

In un processo isoentalpico non vi è variazione di entalpia ovvero la trasformazione avviene in assenza di scambi termici con l’esterno e senza che vi sia lavoro di volume. Si differenzia dal processo adiabatico in quanto quest’ultimo avviene in presenza di lavoro di volume e la temperatura finale è diversa da quella iniziale. In un processo isoentalpico avviene una trasformazione spontanea con aumento di entropia e, se il gas, si comporta da gas ideale la temperatura rimane costante.

Processo isoentropico

In un processo isoentropico non vi è variazione di entropia; in un tale tipo di processo non vi è scambio di calore e di materia con l’ambiente esterno che pertanto è un processo adiabatico reversibile.

Processo isobaro

In un processo isobaro non vi è variazione di pressione ed è abitualmente ottenuto con aumento o diminuzione di volume in modo che non si verifichi un aumento o una diminuzione di calore a seguito di un trasferimento di calore. In un processo isobaro si hanno variazioni di energia interna e il lavoro fatto può essere calcolato dall’equazione W = pΔV.

Poiché la pressione è positiva la variazione di volume può essere positiva ovvero il sistema si espande e compie lavoro o negativa e si verifica una compressione ed è l’ambiente che compie lavoro sul sistema.

Processo isocoro

In un processo isocoro non vi è variazione di volume e pertanto il sistema non compie lavoro e su di esso non è compiuto lavoro. Questo processo è quello di più semplice realizzazione infatti è ottenuto mettendo il sistema in un contenitore chiuso che non si può contrarre né espandere.

Secondo il primo principio della termodinamica la variazione di energia interna è pari a Q essendo Q il calore trasferito all’interno o all’esterno del sistema.

Processo isotermico

In un processo isotermico non vi è variazione di temperatura e, poiché per un gas ideale l’energia interna  è proporzionale alla temperatura, si ha che non vi è variazione di energia interna e quindi Q = W.

Nel caso di un’espansione isoterma da un volume V₁ a un volume V₂ che si realizza mettendo il contenitore del gas in un termostato può verificarsi un’espansione diminuendo la pressione esterna o una compressione aumentando la pressione esterna.

La pressione del sistema varia durante il processo e il lavoro fatto dal sistema è pari a W = nRT ln V₂/V₁

Processo politropico

Un processo politropico è un tipo di processo che segue la relazione pVⁿ = costante dove p è la pressione, V è il volume e n è l’indice politropico.

Da questa relazione si può ottenere la descrizione di molti tipi di processi. Se è pari a

•  0 il processo è isobaro
• 1 il processo è isotermico
•  γ il processo è adiabatico
•  ∞ il processo è isocoro

Processo reversibile

In un processo reversibile dopo che la trasformazione ha avuto luogo si può riportare il sistema e l’ambiente nelle condizioni iniziali.

Un processo reversibile è un processo ideale in quanto richiederebbe un tempo infinito per compiersi in quanto una trasformazione reversibile deve essere effettuata con variazioni infinitesime delle condizioni del sistema in modo che esso posso essere considerato in ogni istante in equilibrio termodinamico.