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Il secondo principio della termodinamica

Le macchine termiche
L’espansione di un gas contenuto in cilindro con un pistone mobile può produrre lavoro. Vogliamo vedere come è possibile sfruttare questo fenomeno per costruire una macchina termica, cioè un dispositivo capace di trasformare il calore e il lavoro.

    Per prima cosa possiamo scordare il gas grazie al calore che proviene da
    una sorgente calda. Allora il gas si dilata, spinge in alto lo stantuffo compiendo lavoro.


    Però ora la macchina, con lo stantuffo a fine corsa, non serve più a nulla. Per poterla riutilizzare dobbiamo riportare lo stantuffo al punto di partenza.

Possiamo compiere un lavoro sul gas fino a comprimerlo nel volume che occupava l’inizio. Ma la conservazione dell’energia assicura che, per farlo, utilizzeremo una quantità di energia almeno pari a quella che abbiamo ottenuto dall’espansione del pistone. In questo modo l’utilizzo del motore non ci sarebbe di alcun vantaggio in alternativa, possiamo ottenere la compressione del gas mettendolo in contatto con una sorgente fredda, e abbassi la temperatura. Grazie questa compressione, il pistone ritorna all’inizio della soccorsa e la macchina è pronta funzionare di nuovo. Per poter continuare a funzionare, la macchina termica deve ritornare al punto di partenza eseguendo delle trasformazioni cicliche.

Una macchina termica è un dispositivo che realizza una serie di trasformazioni cicliche.
La macchina a vapore funziona sulla base di questo principio:
L’acqua contenuta in un serbatoio si trasforma in vapore grazie al calore della sorgente calda.
Il vapore sotto pressione spinge pistoni che, a loro volta, comunicano il movimento alle ruote.
Il vapore ritorna liquido in un condensatore raffreddato dalla sorgente fredda; così il ciclo si chiude e può ricominciare.
Lo stesso schema di funzionamento è utilizzato ancora oggi. In una centrale termoelettrica, nella quale vengono bruciati petrolio o metano, il vapore non serve a muovere i pistoni, ma fa girare le pale di una turbina, a cui è collegato un alternatore che produce energia elettrica.
quindi anche la centrale termoelettrica è una macchina termica, che lavora da una sorgente calda, che sarebbe la caldaia è una sorgente fredda che sarebbe condensatore. Queste centrali si trovano molto spesso vicine ai fiumi o al mare, proprio perché servono enormi quantità di acqua fredda per raffreddare i vari vapori caldi. Ovviamente una parte del calore assorbito dalla caldaia non si trasforma in energia elettrica, ma viene dissipato nell’ambiente come calore di scarto, questo calore aumentare la temperatura delle acque e dei fiumi, provocando un inquinamento termico.


Le sorgenti di calore in termodinamica

In termodinamica si chiama sorgente ideale di calore un sistema fisico capace di mantenere una temperatura fissata qualunque sia la quantità di calore che esso cede o acquista.
Un simile dispositivo non esiste in pratica, ma è possibile costruire con buona approssimazione delle sorgenti di calore ideale. Per esempio, una miscela di acqua e ghiaccio a 0° centigradi si comporta piuttosto bene in questo senso, se tale sistema fisico riceve calore dall’esterno parte di ghiaccio fonde; se invece esso cede calore, parte dell’acqua si solidifica. Però, fino a che la quantità di calore scambiato non è così rilevante da farla fondere tutto il ghiaccio o da far solidificare tutta l’acqua, la temperatura del sistema rimane fissa al valore di 0° centigradi.

Primo enunciato: Lord kelvin
William Thomson fu un fisico britannico. Egli definì la scala assoluta di temperatura. Sviluppò latteria elettromagnetica inventò dispositivi e strumenti di misura che permisero, dall’altro, le comunicazioni telegrafiche tra Europa e America con cavi sottomarini. Per questa attività, nel 1866 fu nominato Lord kelvin dalla regina Vittoria.
È impossibile realizzare una trasformazione in un unico risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di calore da un’unica sorgente e trasformarla integralmente il lavoro.

Infatti una macchina termica realistica assorbe dalla sorgente calda una quantità di calore compiendo però lavoro sempre minore della quantità di calore assorbito.

Se non valesse questo secondo principio della termodinamica, il mondo sarebbe molto diverso da come lo conosciamo: per esempio, sarebbe possibile prelevare energia dall’acqua del mare. Il fabbisogno energetico mondiale annuo di energia e dell’ordine di 10 alla 20ª J, quindi, con i ritmi attuali di consumo, l’energia ottenuta abbassando di un solo kelvin la temperatura dell’acqua di mare fornirebbe al mondo energia per circa 40.000 anni. Ma ciò, è proibito dal secondo principio della termodinamica.

Secondo enunciato: Rudolf Clausius
Clausius un fisico tedesco. Diede contributi fondamentali alla teoria microscopica di fenomeni termici. Introdusse in fisica alla grandezza e entropia, dimostrando che essa deve aumentare nel corso dell’evoluzione spontanea dei sistemi isolati.
È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo.
Un esempio per capire questo secondo enunciato e prendere in considerazione il frigorifero. Questa macchina è un dispositivo che permette il passaggio di calore da un corpo più freddo a 1+ caldo, ma questo non è l’unico risultato della trasformazione, perché si ha anche un lavoro esterno, che è positivo ed è compiuto sul sistema. L’esistenza di questo lavoro è testimoniato dal fatto che per funzionare il frigo ha bisogno dell’energia elettrica.

Terzo enunciato: il rendimento
Una macchina termica abbiamo detto, che preleva una quantità di calore dalla sorgente calda, compie un lavoro sempre minore del della quantità di calore assorbita, e per completare il ciclo di funzionamento, cede alla sorgente fredda parte di calore restante.

Per indicare qual è la qualità della macchina termica, cioè l’efficienza con la quale esse capaci di convertire il calore in lavoro, abbiamo definito una nuova grandezza termodinamica detta il rendimento.
Il rendimento di una macchina termica è dato dal rapporto tra il lavoro totale prodotto dalla macchina in un ciclo e la quantità di calore che, in un ciclo, la macchina preleva alla sorgente calda.
η= W/Q_2
Il rendimento di una macchina termica è compreso tra zero e uno, estremi inclusi. Però rinunciato di Lord kelvin del secondo principio della termodinamica si può riassumere nella condizione
Q_(1=\=0 )
È impossibile progettare una macchina termica che abbia rendimento uguale a uno. Si nota che le macchine termiche tendono ad avere rendimenti piuttosto bassi, mentre i dispositivi elettrici, che non sono soggetti alle leggi della termodinamica, possono avere un rendimento avvicina al 100%.

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