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La termodinamica costituisce un nuovo approccio rispetto alla meccanica, indispensabile quando l'oggetto di studio, il sistema fisico, è costituito da moltissime parti. L'esempio più semplice è un gas puro, composto da tantissime molecole identiche, in numero confrontabile con il numero di Avogadro, {$N\approx {\cal N}_A = 6.022\cdot10^{23}$}. Sapremmo trattare una sola di esse come una massa soggetta a forze note e potremmo calcolarne quindi la posizione e la velocità ad ogni istante. Potremmo studiare l'urto tra due di esse, ma calcolare posizione e velocità di {$N$} molecole sarebbe impossibile e inutile: troppo dettaglio. Che sia impossibile è chiaro: occorrerebbe conoscere le posizioni e le velocità iniziali di ciascuna di esse. Che sia inutile è pure abbastanza evidente.
La termodinamica sostituisce questo eccessivo dettaglio con pochissime nuove variabili, scelte in base al seguente criterio: il minimo numero di parametri fisici che consentono di affermare che due sistemi fisici composti in modo identico sono nelle medesime condizioni.
Continuando con l'esempio scelto, immaginiamo due palloncini identici, contenenti la stessa quantità del medesimo gas, come in Fig. 1, in alto. Che possano essere in condizioni differenti è evidente: basta esporne uno al sole e tenere l'altro all'ombra. Il palloncino al sole si scalda, si dilata e, dopo qualche tempo non cambia più volume (Fig. 1, in basso). I due palloncini sono in stati differenti. Per definirne lo stato occorre almeno conoscerne il volume {$V$}.
Stiamo costruendo una descrizione semplificata che consente di garantire che certe condizioni del sistema sono stati riproducibili e che per riprodurli basta riprodurre il valore di alcune loro proprietà fisiche, o variabili di stato, come {$V$}. Ma per saper riprodurre le due distinte condizioni del palloncino verde e rosso nella Fig. 1 in basso occorrono altre variabili di stato che ci consentiranno una descrizione più completa.
Occorre anche capire che non tutte le condizioni sono descrivibili in questo modo. Solo quelle specialissime di equilibrio. Questo concetto va approfondito. Per ora ci accontentiamo di dire che empiricamente ciascun sistema fisico raggiunge uno stato di equilibrio se lo si lascia in condizioni stazionarie (che non cambiano nel tempo) abbastanza a lungo: prima abbiamo notato che il palloncino al sole dopo qualche tempo non si dilata ulterormente.
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Figura 1: in alto due palloncini identici; in basso: il palloncino verde (si è dilatato scaldandosi al sole) è in uno stato diverso da quello rosso, come testimonia il loro volume.
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