La termodinamica è l’area della scienza che include la relazione tra il calore e altri tipi di energia. La termodinamica è stata scoperta e studiata a partire dal 1800. A quel tempo era legata e acquisiva importanza grazie all’uso delle macchine a vapore.
La termodinamica può essere suddivisa in quattro leggi. Sebbene aggiunta alle leggi della termodinamica dopo le altre tre leggi, la legge zero viene solitamente discussa per prima. Essa afferma che se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora sono in equilibrio termico tra loro. In altre parole, se due sistemi hanno la stessa temperatura di un terzo sistema, allora tutti e tre hanno le stesse temperature.
La prima legge della termodinamica afferma che l’energia totale di un sistema rimane costante, anche se viene convertita da una forma all’altra. Ad esempio, l’energia cinetica, l’energia che un oggetto possiede quando si muove, viene convertita in energia termica quando un guidatore preme i freni dell’auto per rallentarla. Ci sono spesso frasi ad effetto per aiutare le persone a ricordare la prima legge della termodinamica: “Il lavoro è calore e il calore è lavoro”. Fondamentalmente, lavoro e calore sono equivalenti.
La seconda legge della termodinamica è una delle leggi più basilari della scienza. Afferma che il calore non può fluire da un sistema a una temperatura più bassa a un sistema a una temperatura più alta di sua spontanea volontà. Affinché tale azione si verifichi, è necessario lavorare. Se un cubetto di ghiaccio viene posto in una tazza di acqua calda, il cubetto di ghiaccio si scioglie quando il calore dell’acqua vi scorre dentro. Il risultato finale è una tazza d’acqua leggermente più fresca. I cubetti di ghiaccio possono formarsi solo se viene utilizzata energia.
Un altro esempio della seconda legge che funziona solo con l’aggiunta di energia può essere visto con un frigorifero più vecchio. In tal caso, il raffreddamento dell’interno del frigorifero ne riscalda l’esterno. Quindi, il lavoro è fatto e il lavoro fa calore. Il lavoro è completato dalla pompa del frigorifero.
La seconda legge della termodinamica dice anche che le cose possono usurarsi. Ad esempio, se una casa di mattoni non viene curata, alla fine crollerà a causa del vento, della pioggia, del freddo e di altre condizioni atmosferiche. Tuttavia, se una pila di mattoni viene lasciata incustodita, non formerà mai una casa, a meno che non si aggiunga del lavoro al mix.
La terza legge della termodinamica afferma che la variazione di entropia di un sistema quando si converte da una forma all’altra si avvicina allo zero quando la sua temperatura si avvicina allo zero sulla scala Kelvin. Lo zero sulla scala Kelvin è il limite inferiore assoluto della temperatura, quando atomi e molecole hanno la minor energia possibile. L’entropia è definita come la disponibilità dell’energia di un sistema per fare lavoro. Quindi, ne consegue che esiste una scala assoluta di entropia. Di conseguenza, nessun sistema reale potrà mai raggiungere gli zero gradi della scala Kelvin.