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Il secondo principio della termodinamica Previous Up Next

10.5   Il secondo principio della termodinamica

10.5.1   Macchine termiche

Allo studio della conversione del calore in lavoro si sono dedicati gli ingegneri del XIX secolo e tra tutte le conquiste della tecnologia di quell'epoca la più straordinaria è stata certamente la macchina termica, una macchina in grado di produrre lavoro convertendo l'energia termica in energia meccanica.

Le prime macchine termiche furono le macchine a vapore, che sfruttavano la combustione del carbone per ottenere vapore dall'acqua contenuta in una caldaia. Tale vapore, occupando un volume molto maggiore dell'acqua, esercitava una pressione che veniva utilizzata per produrre movimento grazie ad appositi meccanismi.

Un secolo dopo, in seguito alla produzione di numerosi mezzi di trasporto, le macchine a vapore sono state sostituite dai motori a combustione interna.

Il motore a scoppio alimentato a benzina e il motore diesel alimentato a gasolio sono macchine che sfruttano lo stesso principio delle macchine a vapore e sono quelle che ancora oggi utilizziamo.

Dal momento che il rapporto tra il lavoro prodotto da una macchina e la quantità di combustibile bruciato aumentava con il perfezionarsi delle tecnologie, in un primo momento si pensò che non vi fosse alcun limite all'efficienza delle macchine.

In realtà le macchine non riescono a sfruttare tutta l'energia disponibile, poiché sono in grado di trasformarne in lavoro soltanto una parte.

Sembrerebbe infatti che ogni volta che si usa energia per produrre lavoro, una parte di essa svanisca; in effetti non tutta l'energia può essere impiegata come noi vorremmo, e una parte di essa viene ceduta in una forma non più sfruttabile.

Quando sollevi un peso, l'energia potenziale che gli trasferisci risulta inferiore all'energia prodotta nei tuoi muscoli, perché una parte va a riscaldare questi ultimi. Anche quando stai praticando qualche sport e sudi non fai altro che trasferire una parte dell'energia impiegata all'ambiente circostante sotto forma di calore. Quest'ultimo riscalda le particelle contigue dell'aria, le quali, muovendosi più velocemente, aumentano la loro energia cinetica.

10.5.2   Secondo principio della termodinamica

Quando si produce un lavoro meccanico, una parte dell'energia in qualche modo sfugge propagandosi al di fuori del sistema, di solito sotto forma di calore.


Per esempio, in un'auto parte del calore prodotto grazie alla combustione del carburante viene irrimediabilmente perduto: in parte è emesso dal tubo di scappamento, in parte è dissipato a causa dell'attrito con l'asfalto e della resistenza dell'aria.

10.5.3   Macchine frigorifere

Una macchina termica è, come abbiamo visto, un dispositivo che trasforma una parte dell'energia termica prelevata da una sorgente in lavoro meccanico. Una macchina frigorifera è, invece, un dispositivo che assorbe lavoro meccanico utilizzandolo per trasferire calore da un corpo freddo a un corpo più caldo. Il frigorifero ne è l'esempio più familiare.

I frigoriferi o le pompe di calore sono macchine termiche che, per funzionare, necessitano di un fluido che deve essere pompato nel circuito e di un motore elettrico, che richiede a sua volta energia. Sommando tutte queste energie richieste dal sistema scopriamo che abbiamo perso energia rispetto a quella in entrata e quindi che una parte dell'energia totale si è dispersa!

10.5.4   Rendimento

La grandezza fisica che quantifica l'efficienza energetica di una macchina termica o di una macchina frigorifera, cioè la capacità che essa ha di sfruttare l'energia in entrata, è il rendimento della macchina. Di solito il rendimento si misura come rapporto tra la quantità di energia effettivamente utilizzata e quella impiegata, oppure in termini percentuali:

$"Rendimento" = "energia utilizzata"/"energia impiagata" *100$

Da quanto detto possiamo allora esprimere il secondo principio della termodinamica in un altro modo:

il rendimento di una macchina termica risulta sempre inferiore al 100%.


10.5.5   Prima di continuare

  1. Una macchina termica produce ...................... convertendo l'energia ...................... in energia ......................

  2. Una macchina frigorifera assorbe ....................... meccanico utilizzandolo per trasferire ...................... da un corpo ...................... a un corpo ......................

  3. Il secondo principio della termodinamica afferma che quando si produce un ......................, una parte della ...................... termica sfugge, propagandosi al di fuori del ...................... sotto forma di ......................

  4. Il rendimento di una macchina termica è sempre maggiore di 1. Vero o Falso?

  5. La massa può essere considerata una forma di energia. Vero o Falso?

  6. Un piccolo argano solleva un peso e produce un'energia potenziale di 3000 J. La persona che ha usato l'argano ha consumato 5000 J.
    Calcola il rendimento del sistema.

  7. Il rendimento del crick di un'automobile è del 15% e richiede 1000 J per sollevare l'auto per la sostituzione della ruota.
    Quanto lavoro si deve compiere per usare il crick?
@ Ing. Luciano Pirri
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