Appunti di fisica: il Ciclo di Carnot

tramite: O2O
Difficoltà: media
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Introduzione

A volte alcuni argomenti scientifici possono sembrare davvero difficili, ad una prima lettura, quasi incomprensibili, specialmente per chi non mastica quotidianamente le scienze o sta tentando di dare una rispolverata ai concetti studiati a scuola dopo le vacanze. Eppure anche il tema apparentemente più arduo da elaborare può diventare semplice se analizzato, step dopo step, con parole chiare ed alla portata di tutti. Il ciclo di Carnot è uno di questi argomenti, e chi desidera avvicinarsi alla fisica senza impazzire troverà in questi appunti un modo semplice e veloce per farlo!

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Iniziamo col chiarire che cos'è il ciclo di Carnot: si tratta di un ciclo termodinamico che prende il suo nome dal fisico francese Carnot il quale l'ha elaborato a scopo solamente teorico.
Carnot credeva che i movimenti interni delle macchine a vapore sono sempre costituiti, ed anzi prodotti, da un ciclo di passaggi da una temperatura elevata ad una bassa, dal caldo al freddo. Il calore da solo non può produrre forza motrice perché non provoca il movimento se non attraverso delle trasformazioni in forma e volume dovute all'alternarsi cliclico di caldo e freddo. Nelle macchine a vapore un liquido scambia del calore con delle fonti esterne ricevendolo da quella dalla temperatura maggiore e cedendolo a quella dalla temperatura minore, producendo un movimento continuo di elementi meccanici interni alla macchina stessa.

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Il ciclo è dato da due trasformazioni isoterme (nel senso che la temperatura resta costante) reversibili (il risultato della trasformazione può tornare indietro, al punto di partenza) e due trasformazioni adiabatiche (senza scambi di calore con l'ambiente l'esterno) anch'esse reversibili.
La prima trasformazione avviene alla temperatura T (in quanto concetto solo teorico non è necessario stabilire dei valori reali), il liquido che si trova all'interno del cilindro riceve una quantità di calore Q e si diffonde sollevando il pistone contro l'esterno.
La seconda trasformazione del ciclo produce un'ulteriore espansione del fluido consumandone, però, una parte di energia. Quindi il fluido si raffredda.
A questo punto le due trasformazioni si ripetono ancora nello stesso ordine (è per questo che si parla di ciclo!).
Dunque il lavoro meccanico prodotto dal ciclo di Carnot, così come da un ciclo termodinamico in generale, è rappresentato proprio da un bilancio di temperatura tra sorgente "calda" e sorgente "fredda". Il ciclo di Carnot è dato, teoricamente, da due trasformazioni reversibili isoterme e due trasformazioni irreversibili adiabatiche.

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Queste sono le linee guida di base per approcciarsi in modo non troppo complesso al ciclo di Carnot, per comprenderne il funzionamento basico. Naturalmente saranno necessari ulteriori approfondimenti, più complessi, per conoscere meglio la materia, nel caso in cui lo studio dell'argomento sia finalizzato ad approfondire in modo scientifico e professionale questo tema di fisica! Buono studio!

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