Fondamenti della termodinamica

Il secondo principio della termodinamica

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Il secondo principio della termodinamica stabilisce delle differenze tra calore e lavoro definendo delle trasformazioni preferite dalla natura. Venne enunciato quasi contemporaneamente da due fisici e con formulazioni diversi. Il secondo principio della termodinamica secondo Kelvin afferma:

È impossibile che un sistema chiuso che lavora in ciclo produca lavoro positivo scambiando calore con una sola sorgente

In termodinamica per convenzione si assume positivo un lavoro fatto dal sistema dall’esterno mentre è positivo il calore assorbito da un sistema. Se un’auto è il nostro sistema termodinamico il moto delle ruote è il lavoro che compie sull’esterno e quindi è positivo. Il calore che forniamo ad una pentola piena d’acqua per scaldarla è un lavoro positivo.

Una sorgente termica in termodinamica è invece un sistema con una capacità termica molto grande, tale da non variare la sua temperatura durante gli scambi di calore. Adesso abbiamo una visione più chiara dell’enunciato di Kelvin.

Il secondo principio della termodinamica secondo Clausius afferma:

E’ impossibile che l’unico risultato di una trasformazione ciclica sia il passaggio di calore da una sorgente a temperatura inferiore ad una a temperatura superiore

entropiaIl secondo principio della termodinamica dice che lavoro e calore non sono del tutto uguali. Secondo Clausius per esempio non esistono dei fenomeni fisici per cui si ha passaggio di calore da un corpo “freddo” a uno “caldo”. Se pensiamo al mondo reale effettivamente non possiamo passare energia da un cubetto di ghiaccio ad un carbone ardente. Allo stesso modo non possiamo dare calore ad una pentola d’acqua senza aumentare la sua energia.

Entropia

L’entropia è uguale a zero per trasformazioni reversibili e minore di zero per quelle irreversibili. Viene definita analiticamente come il rapporto tra dq e T. Il rendimento in termodinamica è il rapporto tra ciò che si ottiene e ciò che si spende.

Il ciclo di Carnot è composto da due trasformazioni isoterme, a temperatura costante e due trasformazioni isoentropiche, a entropia costante. Il fluido evolvente è un gas perfetto. Studiando l’espressione del rendimento e facendo dei semplici passaggi matematici arriviamo alla seguente espressione:

(1)   \begin{equation*}\eta=1- \frac{T_1}{T_2}\end{equation*}

In termodinamica per avere un rendimento del 100% anche con una macchina di Carnot che usa un gas perfetto, dovremmo avere una temperatura inferiore pari a 0 Kelvin. Conoscendo il secondo principio della termodinamica possiamo dare una miglior descrizione del calore. Possiamo infatti rappresentarlo come Tds. Significa che le irreversibilità che possono verificarsi in una trasformazione (tipo l’attrito) si traducono fisicamente in un incremento di calore.

 

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