Principi di funzionamento delle macchine termiche ed elettriche

Come funziona una macchina termica?

Una macchina termica è un dispositivo capace di trasformare calore in lavoro realizzando una serie di trasformazioni cicliche, cioè delle trasformazioni nelle quali lo stato iniziale corrisponde esattamente a quello finale e che sul grafico pressione-volume sono quindi rappresentate da una linea chiusa. Infatti se così non fosse il lavoro prodotto da una sorgente di calore che dilata un gas sarebbe vanificato dal lavoro necessario per comprimerlo nel volume che occupava all'inizio e riutilizzare la macchina, infatti la legge di conservazione dell'energia assicura che per farlo si dovrà utilizzare una quantità di energia almeno pari a quella ottenuta dall'espansione e dunque l'utilizzo del motore non sarebbe di alcun vantaggio. In una macchina termica invece la compressione del gas si ottiene mettendolo a contatto con una sorgente fredda che ne abbassa la temperatura e diminuisce il volume, sfruttando la prima legge di Gay-Lussac. Una macchina a vapore, ad esempio, funziona sulla base di questo principio: l'acqua contenuta in un serbatoio si trasforma in vapore grazie ad una sorgente calda e spinge il pistone che comunica il movimento alle ruote, poi il vapore ritorna liquido in un condensatore raffreddato da una sorgente fredda e riprende il ciclo.

Il ciclo di Carnot

Il ciclo di Carnot permette l'ideale creazione di una macchina termica reversibile che funziona con due sole sorgenti di calore e permette il rendimento massimo ( 1 – T1/T2 ) ripercorrendo tutte le fasi di ogni trasformazione reversibile da cui è composta. Nello specifico è costituita da quattro fasi: un'espansione isoterma, durante la quale il gas si espande per una lenta diminuzione di pressione compiendo un lavoro e tendendo a raffreddarsi, ma mantenendo costante la sua temperatura grazie ad una sorgente calda ideale (cioè capace di mantenere una temperatura fissata qualunque sia la quantità di calore che cede o acquista); un'espansione adiabatica che prevede la prosecuzione dell'espansione in un sistema isolato che non scambiando calore con l'ambiente permette al gas di raffreddarsi naturalmente; una compressione isoterma che avviene lentamente e con assorbimento di calore da una sorgente fredda esterna che ne mantiene la temperatura costante; una compressione adiabatica che prevede la prosecuzione della compressione in un sistema isolato e quindi con aumento di temperatura che riporta il sistema allo stato iniziale.

Entropia e trasformazioni reversibili

>L'entropia è il grado di disordine di un sistema, cioè il livello di dispersione dell'energia, che è influenzato dalla temperatura (in quanto risulta maggiore quando l'agitazione termica delle molecole è più intensa).

Una trasformazione è reversibile se è possibile riportare sia il sistema, sia l'ambiente esterno allo stato iniziale, ripercorrendo la trasformazione a ritroso. Perchè ciò avvenga la trasformazione deve essere quasistatica, cioè ottenuta mediante un numero enorme di stati di equilibrio, ognuno dei quali differisce di pochissimo dal precedente, in modo che ci sia uno scambio di calore infinitesimale tra i vari stati e si possa tornare allo stato iniziale ripetendo in ordine inverso la catena degli stati intermedi operando ogni volta il minimo scambio di calore opposto; non vi devono essere attriti che dovrebbero essere compensati da un eguale lavoro sul sistema per permettere il ritorno allo stato precedente; devono essere utilizzate solamente sorgenti di calore ideali (cioè capace di mantenere una temperatura fissata qualunque sia la quantità di calore che cede o acquista), in quanto altrimenti sarebbe l'ambiente ad essere irreversibilmente perturbato.

Campo elettrico e legge di Coulomb

Un campo elettrico è un campo generato da una carica Q1 la quale modifica lo spazio che la circonda facendo sì che in esso si avvertano forze elettriche le quali possono, a distanza, attrarre o respingere un'altra carica Q2. Per testare la presenza di campo elettrico in un punto P si inserisce una carica di prova q+ (una carica elettrica puntiforme, abbastanza piccola da non perturbare con la forza da essa esercitata il sistema in esame) e si osserva se su di essa agisce una qualche forza F, che misurata, può permettere di ricavare il vettore del campo elettrico ( vettE= vettF/q+) e la sua intensità.

E= F/q+= k0 * Qq/ralquadr : q+ = k0 Q/ralquadr

Campo elettrico + L'intensità del vettore campo elettrico in un punto P equivale al valore della forza che agirebbe su una carica puntiforme da 1C posta in P (esso non dipende quindi dalla carica di prova usata : vettoreE= vettoreF/q+). + se la carica che crea il campo è positiva, i vettori campo elettrico sono rivolti verso l'esterno; se la carica è negativa essi sono rivolti verso l'interno.

La legge di Coulomb afferma che il valore della forza elettrica tra due cariche puntiformi è direttamente proporzionale a ciascuna carica ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Se le due cariche hanno segno uguale F risulterà positiva, quindi una forza repulsiva; mentre se sono di segno opposto F sarà negativa e dunque attrattiva.

Funzionamento dell'elettroscopio

L'elettroscopio è uno strumento che serve per sapere se un oggetto è carico. Esso è formato da un'asta metallica verticale con in alto una sferetta conduttrice e in basso due foglie d'oro molto sottili, contenuta in un recipiente di vetro che funge da isolamento e sostegno: se si tocca la sfera con un oggetto neutro non accade nulla, ma se la si tocca con un oggetto elettrizzato, parte della carica si trasferisce per contatto fino alle foglioline che si dilateranno perchè cariche dello stesso segno e quindi divaricate da una forza repulsiva. L'ampiezza degli angoli originati dalla dilatazione permette poi di misurarne anche la carica elettrica, scelta un'unità di misura che è generalmente il coulomb equivalente alla carica elementare dell'elettrone 1,6022 * 10 alla -19.

Principio di funzionamento del frigorifero

Il frigorifero è una macchina termica che percorre nel diagramma pressione-volume una trasformazione ciclica in senso antiorario: compie un lavoro negativo, cioè assorbe energia (generalmente elettrica) dall'esterno, grazie alla quale assorbe calore da una zona a temperatura minore, l'interno, e la trasferisce all'esterno. Più nello specifico: all'esterno del frigo un compressore fa liquefare il vapore nel condensatore aumentandone la temperatura, ma una serpentina esterna permette il passaggio di questo calore all'esterno, così che quando torna nel frigo il liquido, non più compresso, torna allo stato di vapore, ma per farlo assorbe energia dall'interno che si raffredda, per poi tornare all'esterno e riprendere il ciclo. Il coefficiente di prestazione di un frigorifero è dato dal rapporto tra il calore sottratto alla sorgente fredda e il lavoro esterno compiuto a tale scopo.