Termodinamica: la scienza dell’ingegneria

La scoperte scientifiche, fino al Settecento, nascono come esercizio di ricerca di conoscenza. Solo in un secondo momento (anche secoli dopo) se ne trovano applicazioni pratiche. E di applicazioni pratiche se ne sono sempre trovate per ogni branca della scienza.

La termodinamica, però, è nata tramite un processo contrario. Prima l’applicazione pratica da studiare, e successivamente si sono sviluppate le ramificazioni teoriche.

La nascita della termodinamica

Nel Settecento, all’inizio della rivoluzione industriale, si sono iniziate a sviluppare le macchine a vapore.

Queste erano utilizzate per le miniere di carbone in Cornovaglia, per svuotarle dall’acqua e permettere un miglior sfruttamento delle miniere. In quel momento, le macchine a vapore erano molto inefficienti.

Serviva, quindi, un modo per analizzare la loro efficienza e studiare come migliorarla.

La termodinamica ha un punto di origine preciso. Infatti, l’ingegnere meccanico Nicolas Léonard Sadi Carnot viene riconosciuto generalmente come il padre della termodinamica con la sua unica pubblicazione, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco e sulle macchine per sviluppare questa potenza).

Questo libro esprime i concetti di termodinamica che tipicamente associamo al nome di Carnot, quali la macchina ideale di Carnot e il principio di Carnot. Fu il primo libro di termodinamica propriamente detto, in cui si sono per primo riconosciute le peculiarità di questa scienza.

Dopo questa pubblicazione, la termodinamica ha potuto contare su persone quali Rudolf Clausius e William Thomson, primo barone Kelvin.

William Rankine sarà poi il primo a scrivere un libro di testo sulla termodinamica nell’11.859 EU (1859 d.C.).

In seguito, grazie a James Clerk Maxwell, si sono poste le basi per la termodinamica statistica. Questa branca è quella che si avvale della materia formata da atomi e usa le leggi statistiche per sviluppare le leggi termodinamiche.

L’utilità della termodinamica come scienza generale

È sbagliato dire che la termodinamica sia solo una branca “tecnica” della scienza, che serve solo agli ingegneri per lo studio dell’efficienza energetica delle macchine operatrici.

In realtà, attraverso il primo e il secondo principio della termodinamica si ottiene il principio dell’entropia, che governa tutta la fisica.

Infatti, tutti i processi, siano essi industriali, naturali o di qualsiasi altro tipo, devono soddisfare il secondo principio della termodinamica.

La termodinamica ha aiutato anche la comprensione dell’infinitamente piccolo. Grazie al concetto di minima energia della termodinamica statistica, è stato possibile spiegare l’occupazione degli orbitali da parte degli elettroni.

Come ulteriore esempio, la termodinamica permea anche la chimica. Tanto che, per esempio, alcune reazioni chimiche sappiamo che non accadono spontaneamente perché portano a una diminuzione dell’entropia, e quindi richiedono dei catalizzatori o energia fornita dall’esterno.

Senza la termodinamica, l’efficienza dei motori o delle macchine frigorifere, solo per fare due esempi significativi, sarebbe difficile se non impossibile da studiare, e si può pensare che senza di essa la rivoluzione industriale sarebbe stata impossibile.

Questa branca risulta vitale nell’applicazione alle macchine operatrici o ai movimenti di energia, ma la necessità della sua conoscenza esula dai soli ingegneri: la termodinamica ha ormai raggiunto un’utilità generale nelle scienze: tutte le branche della scienza necessitano dei suoi principi.