UNA NUOVA GRANDEZZA: L'ENERGIA INTERNA

Si è prima detto che l’energia interna dell’universo si conserva, ma che cosa intendiamo per energia interna?

Quale è il suo ruolo nell’ambito di un sistema termodinamico?

Un sistema in un certo stato possiede una energia interna U costituita dalla somma di tutte le energie (cinetiche e potenziali) delle particelle che lo compongono. Essa può essere variata durante una trasformazione del sistema tramite scambi di calore e/o di lavoro con l'ambiente.

Se teniamo conto di questa nuova grandezza, resa più chiara dalla teoria cinetica dei gas, il nuovo bilancio energetico si otterrà sommando algebricamente tutti gli scambi di calore (segno positivo per calore assorbito dal sistema, negativo per calore ceduto) e sottraendo a questo valore la somma algebrica dell'energia spesa come lavoro (segno positivo per lavoro motore del gas che si espande, segno negativo per lavoro resistente del gas che viene compresso).

Matematicamente il tutto si traduce con:
ΔU = Qtot - Ltot= 0

Come avviene per la pressione, il volume, la temperatura, alla fine di un ciclo anche l'energia interna U del gas ritorna al suo valore iniziale.

Questo ci permette di dire che l'energia interna U è una funzione di stato, e cioè che non dipende dal modo con cui l’abbiamo variata, ma solo dagli stati iniziale e finale.

Infatti, nella transizione da un stato iniziale A ad uno stato finale B, il calore e il lavoro dipendono dal particolare percorso seguito, ma la variazione ΔU di energia interna dipende unicamente dallo stato iniziale e da quello finale.

Quanto detto ci permette di arrivare ad una formulazione del primo principio della termodinamica:
In una trasformazione l'energia interna U può variare sia per scambi termici Q, sia per scambi meccanici L. La variazione di energia interna vale: ΔU = Q - L

Attenzione, nell'applicare il primo principio occorre ricordare la convenzione sui segni algebrici:
· Q è positivo se si trasferisce dall'ambiente al sistema
· Q è negativo se si trasferisce dal sistema all'ambiente
· L è positivo se il sistema fa lavoro motore (espansione)
· L è negativo se il sistema fa lavoro resistente (compressione)
La convenzione dei segni sia per il calore, sia per il lavoro dipende dal fatto che vediamo le cose riferite al sistema. Il calore che entra nel sistema è anche calore che esce dall'ambiente e viceversa, così come ad un lavoro positivo del gas corrisponde un lavoro opposto dell'ambiente.In termodinamica il primo principio afferma che anche il calore, oltre al lavoro, è un modo di trasferire energia.