Prima legge della termodinamica

Conservazione dell’energia

L’energia può essere convertita da una forma all’altra, ma tutta l’energia presente prima che si verifichi un cambiamento esiste sempre in qualche forma dopo il completamento del cambiamento. Questa osservazione è espressa nella legge di conservazione dell’energia: durante un cambiamento chimico o fisico, l’energia non può essere né creata né distrutta, anche se può essere cambiata nella forma.

Secondo la legge di conservazione della materia, non vi è alcun cambiamento rilevabile nella quantità totale di materia durante un cambiamento chimico. Quando si verificano reazioni chimiche, i cambiamenti di energia sono relativamente modesti e i cambiamenti di massa sono troppo piccoli per essere misurati. Pertanto, le leggi di conservazione della materia e dell’energia sono ben in possesso. Tuttavia, nelle reazioni nucleari, i cambiamenti energetici sono molto più grandi (per fattori di circa un milione), i cambiamenti di massa sono misurabili e le conversioni materia-energia sono significative.

Trasferimento di energia ed energia interna

Le sostanze fungono da serbatoi di energia, il che significa che l’energia può essere aggiunta o rimossa da esse. L’energia viene immagazzinata in una sostanza quando viene sollevata l’energia cinetica dei suoi atomi o molecole. La maggiore energia cinetica può essere sotto forma di maggiori traduzioni (movimenti di viaggio o di linea retta), vibrazioni o rotazioni degli atomi o delle molecole. Quando l’energia termica viene persa, le intensità di questi movimenti diminuiscono e l’energia cinetica diminuisce.

Il totale di tutti i possibili tipi di energia presenti in una sostanza è chiamato energia interna (U), a volte simboleggiata come E.

Quando un sistema subisce un cambiamento, la sua energia interna può cambiare e l’energia può essere trasferita dal sistema all’ambiente circostante o dall’ambiente circostante al sistema. Così, l’ambiente circostante sperimenta anche un cambiamento uguale e opposto nella sua energia.

L’energia interna è un esempio di funzione di stato (o variabile di stato), mentre il calore e il lavoro non sono funzioni di stato. Il valore di una funzione di stato dipende solo dallo stato in cui si trova un sistema e non dal modo in cui tale stato viene raggiunto. Se una quantità non è una funzione di stato, il relativo valore dipende dal modo in cui viene raggiunto lo stato. Un esempio di funzione di stato è l’altitudine o l’elevazione. In piedi sulla cima del Monte Kilimangiaro ad un’altitudine di 5895 m, non importa come sia stato raggiunto, se qualcuno ha camminato lì o si è paracadutato lì. La distanza percorsa fino alla cima del Kilimangiaro, tuttavia, non è una funzione di stato. Si potrebbe salire in vetta con un percorso diretto o con una rotatoria più rotonda, sentiero tortuoso. Quindi, le distanze percorse differirebbero (la distanza non è una funzione di stato); tuttavia, l’elevazione raggiunta sarebbe la stessa (l’altitudine è una funzione di stato).

Questo testo è adattato da OpenStax Chemistry 2e, Sezione 5.1: Energy Basics and OpenStax Chemistry 2e, Sezione 5.3: Enthalpy.