Appunti di fisica: il Ciclo di Carnot

Tramite: O2O 07/04/2021
Difficoltà: media
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Introduzione

Il più delle 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 scientifico apparentemente più arduo da elaborare può diventare semplice, soprattutto se analizzato, step dopo step, con parole chiare e che siano realmente in grado di spiegare con correttezza il procedimento adottato. Il ciclo di Carnot è senza dubbio uno di questi argomenti. In questa guida, dunque, vogliamo illustrarvi con semplicità cos'è il Ciclo di Carnot, inserendolo all'interno di alcuni appunti di fisica che possono aiutare lo studente nel corso delle sue lezioni di fisica.

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Occorrente

  • Manuale di Fisica
  • Libro degli esercizi di fisica
  • Calcolatrice
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La definizione del Ciclo di Carnot

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 fossero sempre costituiti, ed anzi prodotti, da un ciclo di passaggi contraddistinto dal passaggio da una temperatura elevata ad una più 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 dall'alternarsi ciclico 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. In questo modo si produce sempre un movimento continuo di elementi meccanici interni alla macchina stessa.

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Le trasformazioni isoterme ed adiabatiche

Il ciclo risulta quindi 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 da 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) e 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 è proprio in questa fase che il fluido va incontro ad un lento quanto progressivo processo di raffreddamento. Va detto dunque che le due trasformazioni sopra descritte, 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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Il rendimento della macchina di Carnot

La caratteristica peculiare della macchina di Carnot è che il suo rendimento non dipende dal fluido impiegato nel ciclo, bensì esclusivamente dalle temperature delle sorgenti che si scambiano il calore. Ancor più correttamente, si può anzi affermare che tale rendimento è dipeso dal rapporto delle due temperature. Questo rappresenta un significativo risultato di termodinamica teorica che, appunto, viene enunciato come Teorema di Carnot. Va altresì sottolineato che il rendimento di una macchina termica altro non è che il rapporto tra il lavoro utile che la macchina riesce a compiere e il calore complessivo che il sistema è in grado di assorbire. Da ciò se ne evince che, qualora un ciclo venisse eseguito n volte, il rendimento della macchina sarà il medesimo. Queste sono le linee guida di base per approcciarsi in modo non troppo complesso al ciclo di Carnot e 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.

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