Fisica macchine termiche

Il 1° principio della Termodinamica per una trasformazione ciclica

Macchine Termiche

Il primo principio della termodinamica è particolarmente adatto a descrivere il funzionamento delle macchine termiche  cioè di tutti i dispositivi realizzati per trasformare calore in lavoro. Le prime macchine termiche a vapore fecero la loro comparsa nel 1700 in Inghilterra e vennero utilizzate per sostituire i cavalli per prelevare acqua che allagava le pareti delle miniere di carbone.
Studiando i processi che trasformano calore in lavoro abbiamo scoperto che affinché possa avvenire questa trasformazione è indispensabile che uno dei corpi che partecipa al fenomeno si dilati. I corpi più adatti per questa trasformazione sono i gas che fra le varie sostanze sono i più dilatabili. Con i liquidi e solidi non si riesce ad avere uno spostamento di masse apprezzabile; in questo caso la trasmissione di calore condurrebbe soltanto ad una variazione dell'energia interna del sistema. Invece quando un gas si dilata il 1° principio ci assicura che il lavoro eseguito è uguale a:

(1)  L = Q-DU

tuttavia le trasformazioni che abbiamo studiato non possono essere direttamente utilizzate nella pratica perché sono aperte mentre sono necessarie trasformazioni cicliche vale a dire processi che si ripetono periodicamente. Pertanto è necessario che il gas, dopo aver assorbito una quantità di calore Qciclo  ed aver eseguito un lavoro Lciclo ritorni allo stato finale per ripetere il medesimo ciclo. Ciò è reso possibile se dopo aver scaldato il gas contenuto in un cilindro lo si raffredda mediante un condensatore o refrigerante ad esempio spruzzando dell'acqua fredda sul cilindro stesso, oppure, come avviene nei motori a benzina, lo si allontana dal cilindro (in tal caso è l’atmosfera che svolge il ruolo di condensatore). Il gas deve pertanto cedere una quantità di calore Qced. Al termine del ciclo il gas si troverà nelle seguenti condizioni:

tf = ti   >>>>   Uf = Ui  >>>>   DUciclo = 0         e quindi per il primo principio della termodinamica:

Qciclo = DUciclo + Lciclo= Lciclo

Qciclo = Qass - Qced = Q2 - Q1

da cui     (2)    Lciclo = Q2 - Q1

Vale a dire che nella produzione di lavoro a spese di calore, solo una parte di esso si trasforma in lavoro; la parte restante passa al refrigerante a temperatura più bassa. Invece, ricordiamolo, nel processo inverso cioè nella produzione di calore a spese di lavoro (le mani strofinate) l’energia meccanica si trasforma completamente in calore.

Rendimento di una macchina termica. Nella vita quotidiana il rendimento di una qualsiasi operazione viene definito come il rapporto fra i benefici usufruiti ed i costi dell’operazione:

In maniera analoga, si definisce rendimento di una macchina termica il rapporto fra il modulo del lavoro eseguito ed il modulo del calore assorbito dalle sorgenti calde:

Sostituendo la (1) nella (2) si ottiene:

Poiché Q 1 non può essere nullo, il rendimento di una macchina è sempre inferiore a 1.

A limitare il rendimento di una macchina termica sono anche gli attriti fra le parti meccaniche in movimento. Tuttavia, il francese Carnot nel 1824 scoprì che anche ipotizzando di eliminare gli attriti il massimo rendimento di una macchina termica è dato da:

Dalla (5) risulta evidente che  il rendimento di una macchina termica cresce al crescere della differenza di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda. Vale a dire che se si vuole sprecare poco calore bisogna che la macchina funzioni tra una temperatura molto alta e una molto bassa. Nella pratica non è possibile abbassare troppo la temperatura del corpo freddo a causa della formazione di acidi corrosivi che danneggerebbero il motore.
L'anidride solforosa è prodotta nelle reazioni di combustione che avvengono nei motori degli autoveicoli e negli impianti di riscaldamento. Reagendo con il vapor acqueo presente nell'aria provoca la formazione di acido solforico secondo la seguente reazione

SO2 + H2O >>>>   H2SO4