II esperimento di Joule e principi della termodinamica.

[turtle87crociato]

Come si può interpretare il II esperimento di Joule, quello di un gas perfetto che si espande in un recipiente da cui viene rimosso un setto, alla luce dei principi della termodinamica? In effetti la trasformazione è adiabatica, il lavoro netto applicabile al sistema è nullo (qui non riesco completamente a capire perchè: la rimozione del setto in realtà è lavoro compiuto sul sistema, è una rimozione di un vincolo), quindi $\Delta U = 0$, poichè per i gas perfetti l'energia interna dipende dalla temperatura soltanto.

Non capisco perchè il sistema venga considerato irreversibile, se non ci sono scambi energetici con l'ambiente, e soprattutto se come sistema termodinamico si considera non solo il gas in espansione ma l'insieme gas + interno del recipiente.

C' un po' di confusione nelle mie parole e probabilmente qualche errore. Me ne scuso, ma al livello attuale non posso evitarli.

[lucagalbu]

Provo a risponderti, ma non sono sicuro della risposta.
Quando togli il setto effettivamente compi del lavoro, ma lo compi sul setto e non sul gas: c'è un trasferimento di energia dall'esterno verso il setto (che infatti modifica la sua energia cinetica) ma questo trasferimento di energia non arriva nel gas, quindi il lavoro sul gas è nullo.

Il sistema viene considerato irreversibile perchè la trasformazione non è quasi-statica. Una trasformazione si dice quasi-statica quando avviene mediante passaggi lenti e infinitesimi (chiaramente una trasformazione del genere impiegherebbe un tempo infinito per arrivare a completamento e quindi nessun trasformazione reale è perfettamente quasi-statica). Nell'esperimento di Joule l'espansione avviene velocemente e ciò crea delle correnti turbolente nel gas che fanno sì che i valori di P, V, e T varino continuamente e sono diversi da un punto all'altro del gas. Provo a spiegartelo in questo modo:
Una trasformazione quasi statica è talmente lenta che in ogni istante il sistema raggiunge l'equilibrio in tutti i suoi punti. Una pallina che scivola su un piano inclinato non è una trasformazione quasi-statica perchè tutti gli stati intermedi (cioè le varie posizioni che assume la pallina mentre scivola) vedono la pallina con un'accelerazione non nulla e quindi non in equilibrio. Ma se la discesa della pallina è ostacolata da un attrito talmente grande da rendere praticamente nulla l'accelerazione istantanea della pallina, pur non bloccandone la discesa, allora è una trasformazione quasi-statica. Nella realtà queste trasformazioni possono venire solo approssimate in quanto una trasformazione veramente quasi-statica impiegherebbe un tempo infinito a compiersi (se la pallina ha accelerazione nulla, impiega un tempo infinito a scendere).
Per quanto riguarda i gas, in una trasformazione quasi-statica, in ogni istante, in ogni punto del volume del gas è possibile individuare un identico valore di P e un identico valore di T.

Per quanto riguarda l'ultima domanda: l'interno del recipiente e il gas sono la stessa cosa.

[Falco5x]

Ciao tartaruga!
Aggiungo qualche considerazione.
Poiché il lavoro e il calore scambiati sono nulli, l'energia interna non varia, il che significa che il gas dopo l'espansione avrà la stessa temperatura di prima e che l'energia cinetica media delle particelle non varia. Dunque alla fine la pressione sarà in rapporto inverso al volume occupato, come se si trattasse si una trasformazione isoterma reversibile (PV=costante)!
Se si volesse dunque riportare il gas alle condizioni iniziali con una trasformazione quasi statica occorrerebbe dunque fare una compressione isoterma e quindi estrarre del calore. Ecco perché è irreversibile, perché per espandere non si è dovuto comunicare calore, mentre per comprimere e per tornare al punto di partenza si deve estrarre calore cioè entropia, la stessa entropia che si è generata internamente durante l'espansione.