Fisica statistica ed informatica – Termodinamica

Alcune osservazioni sperimentali e il secondo principio delle termodinamica

Sperimentalmente si trova che:

1. Il rendimento di una macchina termica è sempre minore di 1, ovvero il calore Q scambiato a temperatura più bassa (T2) non è mai zero e pertanto il calore Q assorbito dalla sorgente di calore a temperatura più alta (T1) non è interamente trasformabile in lavoro.
2. Non si osserva mai il passaggio spontaneo di calore da un corpo a temperatura più bassa verso un corpo a temperatura più alta.

Entrambe le situazioni potrebbero avvenire in compatibilità con il I° principio della termodinamica, ovvero con la conservazione dell'energia. Il fatto che non si osservino sta ad indicare l'esistenza di un verso naturale con cui procedono spontaneamente gli eventi; le trasformazioni procedono in natura in un certo verso, ma non nel verso opposto. Questa direzionalità della natura è espressa dal secondo principio.

della termodinamica 1

Secondo principio della termodinamica

Primo enunciato: non esistono macchine termiche perfette (ideali)

Secondo enunciato: non esistono macchine frigorifero perfette (ideali)

Siano T1 e T2 due serbatoi di calore con T2 > T1

Macchina termica ideale: Q2 = 0 (impossibile)

Macchina termica reale: Q2 > 0, L = Q2 - |Q1|

Macchina frigorifero ideale: L = 0 (impossibile)

Macchina frigorifero reale: L > 0, |Q1| = L + Q2

Equivalenza fra le due precedenti formulazioni.

Supponiamo che esista una macchina frigorifero ideale, ma non esista una macchina termica ideale.

La macchina frigorifero trasferisce un calore Q2 dalla temperatura T2 (T2 > T1) senza impiego di lavoro. La macchina termica assorbe un calore Q1 alla temperatura T1 e cede un calore Q2 alla temperatura T2, compiendo un lavoro L = Q2 - Q1.

Vedendo le due macchine insieme (rettangolo verde) otteniamo una macchina termica ideale che trasforma in lavoro

Tutto il calore, che si è assunto, non esiste.

Prelevato a T1, è errata dunque l'affermazione di partenza:

Q1 = Q - Q2

T1Q1 = Q - Q2

T1Q1 - Q = Q2

T1Q1 - Q = 0

T2Q2 = 3