Fisica statistica ed informatica – Termodinamica

Osservazioni sperimentali e il secondo principio della termodinamica

Sperimentalmente si trova che:

• 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 Q₁ assorbito dalla sorgente di calore a temperatura più alta (T₁) non è interamente trasformabile in lavoro.
• 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 primo 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.

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 T₁ > T₂.

• Macchina termica ideale: Q₂ = 0, impossibile.
• Macchina termica reale: Q₂ ≠ 0, L = Q₁ - |Q₂|.
• Macchina frigorifero ideale: L = 0, impossibile.
• Macchina frigorifero reale: L ≠ 0, |Q₁| = L + Q₂.

Equivalenza tra 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 alla temperatura T₁ (con T₁ > T₂) 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 = Q₁ - Q₂.

Vedendo le due macchine insieme (rettangolo verde), otteniamo una macchina termica ideale che trasforma in lavoro tutto il calore prelevato a T₁, che si è assunto non esistere. È errata dunque l’affermazione di partenza.

Supponiamo che esista una macchina termica ideale, ma non esista una macchina frigorifero ideale. La macchina termica ideale preleva un calore Q₁ dalla temperatura T₁ e lo...