3 I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: il primo principio della termodinamica 1.1 Fondazione della termodinamica Obiettivi e ambiti di applicazione della termodinamica Capitolo 1 DEFINIZIONI E CONCETTI FONDAMENTALI La termodinamica classica è la disciplina scientifica che studia gli effetti dei trasferimenti e delle conversioni di energia, in tutte le sue forme, nei sistemi studiati da un punto di vista macroscopico, ovvero senza riguardo per la costituzione particellare della materia di cui è costituito il sistema. Ovviamente una definizione sintetica può solamente presentare i temi che andremo a sviluppare, il cui senso completo si potrà chiarire solo più avanti. Del resto, l elaborazione dei concetti e dei principi fondamentali della termodinamica ha impegnato i più importanti scienziati del tempo per buona parte dell 800, a partire dall uso univoco di termini come temperatura, calore, forza, energia, potenza, che sino ad allora ogni scienziato utilizzava in maniera soggettiva. La stessa parola termodinamica, che fu introdotta intorno alla metà dell 800 da Lord Kelvin, al secolo William Thomson, presa alla lettera sembrerebbe riferirsi all azione meccanica prodotta dal calore. In effetti la cronologia delle scoperte scientifiche e dei documenti prodotti indica un forte interesse iniziale proprio alla definizione del concetto di calore e, contemporaneamente, del lavoro meccanico ottenibile da una macchina termica in determinate condizioni. L interesse verso questi temi era determinato dalla recente introduzione delle macchine a vapore, che in Inghilterra era stato un fattore decisivo della rivoluzione industriale. A questa spinta non furono estranei, almeno inizialmente, interessi patriottici perché se da un lato era la potenza inglese a cogliere i frutti dell applicazione delle macchine a vapore, dall altro furono gli scienziati francesi, in particolare Sadi Carnot e Jean Baptiste Joseph Fourier, ad iniziare uno studio dei fondamenti teorici alla base del funzionamento delle macchine, allo scopo di definire i processi e migliorarne le prestazioni. L evoluzione del pensiero scientifico riguardante la termodinamica non è stato lineare. Lo stesso numero d ordine con cui oggi vengono enunciati i quattro principi non corrisponde alla cronologia con cui storicamente sono stati introdotti. Tuttavia, oggi la termodinamica rappresenta un punto di riferimento assolutamente certo per l interpretazione dei fenomeni e la previsione dell evoluzione dei sistemi. Di conseguenza i suoi ambiti di applicazione sono i più svariati, come il funzionamento dei motori a combustione interna, la produzione di energia elettrica in tutte