In breve: Il rendimento misura quanta energia termica una macchina trasforma in lavoro utile. Più è alto, meno calore viene sprecato.
Cos'è un ciclo termodinamico
Una macchina termica riceve calore da una sorgente calda. Una parte di questo calore diventa lavoro meccanico utile. La parte restante viene ceduta a una sorgente fredda.
Questo passaggio si ripete sempre uguale. Per questo si chiama ciclo. Esempi sono il motore dell'auto e la centrale a vapore.
Come si calcola il rendimento
Il rendimento si indica con la lettera greca η (eta). Si ottiene dal rapporto tra il lavoro prodotto e il calore assorbito.
La formula generale è: η = L / Q₁. Qui L è il lavoro utile. Q₁ è il calore preso dalla sorgente calda.
Il rendimento è sempre un numero minore di 1. Spesso si esprime in percentuale. Un valore di 0,35 significa rendimento del 35%.
Il secondo principio della termodinamica pone un limite. Nessuna macchina reale può avere rendimento uguale a 1. Una parte del calore viene sempre persa.
Confronto tra cicli e macchine reali
Il ciclo di Carnot rappresenta il limite teorico massimo. Il suo rendimento dipende solo dalle due temperature di lavoro. Più ampio è il salto di temperatura, più alto è il rendimento.
I cicli reali hanno rendimenti più bassi del Carnot. Il ciclo Otto descrive i motori a benzina. Il ciclo Diesel descrive i motori a gasolio. Il ciclo Rankine descrive le centrali a vapore.
Ogni ciclo si valuta confrontando il rendimento ideale con quello reale. Le perdite per attrito e dispersione termica abbassano il valore finale.
Esempi pratici
Esempio 1. Un motore riceve 1000 J di calore. Produce 300 J di lavoro. Il rendimento è η = 300/1000 = 0,30, cioè 30%.
Esempio 2. Una centrale lavora tra 600 K e 300 K. Il rendimento di Carnot è η = 1 − (300/600) = 0,50. Il rendimento reale sarà più basso.
Per valutare una macchina si seguono questi passi. Si individua il ciclo di riferimento. Si calcola il rendimento ideale. Si confronta con il rendimento reale misurato.
Parole difficili
- Ciclo termodinamico: serie di trasformazioni che riportano il gas allo stato iniziale.
- Rendimento (η): rapporto tra energia utile ottenuta ed energia fornita alla macchina.
- Sorgente calda: corpo che cede calore alla macchina durante il ciclo.
- Sorgente fredda: corpo che riceve il calore non trasformato in lavoro.
- Ciclo di Carnot: ciclo ideale con rendimento massimo tra due temperature.
- Lavoro utile: energia meccanica prodotta dalla macchina durante il ciclo.
Riferimenti
- Norma: Riordino degli istituti tecnici
- Obiettivo formativo coperto: ob.tecnico-meccanica-meccatronica-energia.meccanica-macchine-ed-energia.cl3.termodinamica.06