I principi della termodinamica

In parallelo con lo sviluppo industriale, all'inizio del 800 nasce una nuova scienza: la termodinamica. Con la termodinamica, calore ed energia meccanica assumono il ruolo di forme diverse di una stessa entità. Il primo principio della termodinamica non è altro che un' estensione del principio di conservazione dell'energia, che include anche il calore. Il secondo principio pone dei limiti, dei vincoli al processo di trasformazione del calore in energia meccanica. Ecco i principi della termodinamica.

Consideriamo un cilindro contenente un gas, chiuso da un pistone che può muoversi in su e giù senza attrito con le pareti. Inoltre sul pistone sono posti dei pesi F che tengono il gas compresso in un certo volume V1. Se riscaldiamo il cilindro e quindi il gas in esso contenuto, forniamo ad esso una certa quantità di calore Q. L'effetto di questa somministrazione di calore è che il gas si espande e passa ad un volume V2, in tal caso si compie un lavoro. Ora se si confronta il valore di Q (calore fornito al sistema) e il valore L (Lavoro compiuto dal sistema), troveremo che non tutto il calore si è trasformato in lavoro. La quantità di calore che non si è trasformata in lavoro va ad aumentare l'energia interna del gas. Il primo principio della termodinamica, afferma che la variazione di energia interna di un sistema è uguale alla somma algebrica delle energie che esso scambia con l'ambiente esterno, sia sotto forma di lavoro che sotto forma di calore.

Il secondo principio della termodinamica trova diverse formulazioni. Una di queste è il postulato di Lord Kelvin. La trasformazione di calore in lavoro avviene, abitualmente, utilizzando un fluido riscaldato da una sorgente di calore che, esponendosi compie, appunto, un lavoro. Nell'esempio visto in precedenza del cilindro con pistone mobile contenente un gas e posto a contatto con una sorgente termica, per avere un lavoro di espansione continuativo, occorre che il pistone vada su e giù non potendo pensare di utilizzare un pistone molto lungo. È necessario quindi che il dispositivo operi in condizioni cicliche. In tale esempio si è visto anche che non tutto il calore fornito dal gas si è trasformato in lavoro in quanto una parte di esso va ad aumentare l'energia interna del gas. Si potrebbe utilizzare un gas perfetto e realizzare una trasformazione isotermica.

In tal caso non ci sarebbe variazione di energia interna e pertanto, tutto il calore perso dalla sorgente sarebbe completamente trasformato in lavoro. Ma il risultato ottenuto, come ben si comprende non è stato solo quello di trasformare tutto il calore prelevato dalla sorgente in lavoro, perché contemporaneamente si è avuto anche una variazione di volume del gas e quindi c'è stato un cambiamento dello stato termodinamico di quest'ultimo. Conseguenza immediata di ciò è che nelle trasformazioni cicliche, tipiche delle macchine termiche tutto il calore preso dalla sorgente non può essere completamente trasformato in lavoro.

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