Il secondo principio della termodinamica

Lezione 03: Secondo principio della termodinamica

Motore termico

Si definisce motore termico una macchina capace di trasformare l'energia termica in lavoro.

Esempio di motore a vapore

In un recipiente (cilindro) viene riscaldato del vapore. L'espansione del vapore dovuta al riscaldamento muove il pistone, che dunque compie un lavoro perché si sposta da una posizione A ad una posizione B. L'energia termica (fiamma) è stata trasformata in lavoro (movimento del pistone).

Un motore termico lavora in continuo (non si ferma mai). Affinché possa funzionare in modo ciclico, il pistone, dopo essere salito per effetto dell'espansione dovuta al riscaldamento (ingresso di Q_h), deve scendere nuovamente. Supponiamo che, dopo essersi spostato da A a B, il cilindro venga raffreddato (uscita di Q_c) e il gas, dunque, si comprime. Il pistone torna nuovamente al suo posto. Chiamiamo Q_h (Q_hot) il calore "entrante", cioè quello che riscalda il sistema e Q_c (Q_cold) quello uscente dal sistema.

Convenzioni sulla segnaletica

• Q_hot positivo (entrante) Esempio: +500 cal
• Q_cold negativo (uscente) Esempio: -200 cal
• Lavoro di compressione: Positivo
• Lavoro di espansione: Negativo

Efficienza di un motore termico

Per vedere "quanto funzioni bene" un motore termico, si calcola la sua efficienza:

Efficienza = Ciò che ottengo (Lavoro) / Ciò che spendo (Calore necessario, Q_hot)

L'efficienza sale se:

• Ho un lavoro più grande a parità di Energia termica necessaria
• A parità di lavoro, ho bisogno di minore energia termica

Più è alta, più il motore funziona bene. È possibile riscrivere l'efficienza in termini di Q_hot e Q_cold. Su tutto il "ciclo" della macchina termica possiamo dire, dal primo principio, che: Efficienza: Poiché Q_c è negativo (uscente) e Q_h è positivo (entrante), l'efficienza è sempre minore di 1.

Teorema di Carnot

Il teorema di Carnot afferma che non è possibile realizzare una macchina termica operante tra due sorgenti (ritornando al caso precedente la fiamma e il ghiaccio), che abbia un rendimento maggiore di quello della macchina di Carnot operante tra le stesse sorgenti.

Che cos'è una macchina di Carnot?

Una macchina di Carnot è una macchina termica teorica, che opera con il ciclo di Carnot reversibile.

Ciclo di Carnot

Il ciclo di Carnot è un ciclo termodinamico reversibile formato da:

• Espansione isotermica (1-2): il gas preleva Q_hot dalla sorgente più calda e questo provoca l'aumento di volume del gas e la diminuzione della pressione. La tendenza della temperatura del gas ad abbassarsi per l’espansione viene contrastata, dall'effetto del Q_hot. La temperatura resta costante. (EVAPORATORE)
• Espansione adiabatica (2-3): il gas viene mantenuto in modo che non scambi energia con l'esterno (adiabatica), pur continuando ad espandersi: ciò porta ad un abbassamento della Temperatura (TURBINA)
• Compressione isotermica (3-4): il gas viene compresso mantenendo costante la temperatura e il calore generato dal lavoro compiuto in questa fase viene rimosso dal contatto con la sorgente più fredda Q_c viene ceduto alla sorgente più fredda (CONDENSATORE)
• Compressione adiabatica (4-1): Il gas continua la sua compressione ma non scambia calore con l’ambiente