In breve: la termodinamica studia come il calore si trasforma in lavoro. È la base di motori, frigoriferi e centrali elettriche.
Cos'è la termodinamica
La termodinamica è una parte della fisica. Studia gli scambi di energia tra corpi.
L'energia si scambia in due modi: come calore e come lavoro. Serve per capire come funzionano tante macchine.
Esempio quotidiano: il motore dell'auto trasforma il calore della benzina in movimento.
Principio zero
Due corpi a contatto raggiungono la stessa temperatura. Questo si chiama equilibrio termico.
Se il corpo A è in equilibrio con B, e B con C, allora A è in equilibrio anche con C.
Esempio: un cucchiaio freddo in una tazza di tè calda. Dopo un po', hanno la stessa temperatura.
Primo principio
Dice una cosa semplice: l'energia non si crea e non si distrugge. Si trasforma soltanto.
La formula è questa:
ΔU = Q − L
Significato dei simboli:
- ΔU è la variazione di energia interna del sistema.
- Q è il calore scambiato. È positivo se il sistema lo assorbe.
- L è il lavoro. È positivo se il sistema lo compie.
Esempio: in un motore a scoppio, il calore della combustione diventa lavoro meccanico. Una parte resta come energia interna nei gas caldi.
Secondo principio
Non tutto il calore può diventare lavoro. Una parte si perde sempre.
Ci sono tre modi di dire la stessa cosa:
Kelvin: nessuna macchina trasforma tutto il calore assorbito in lavoro.
Clausius: il calore va sempre dal caldo al freddo. Mai al contrario, da solo.
Entropia: in un sistema isolato, l'entropia può solo aumentare o restare uguale.
Esempio: un cubetto di ghiaccio nell'acqua si scioglie. Non torna mai a formarsi da solo.
Rendimento di una macchina termica
Una macchina termica funziona così:
- prende calore Q₁ da una sorgente calda (temperatura T₁);
- produce un lavoro L;
- cede calore Q₂ a una sorgente fredda (temperatura T₂).
Il rendimento si calcola così:
η = L / Q₁ = 1 − Q₂ / Q₁
Il massimo rendimento possibile è quello del ciclo di Carnot:
η_Carnot = 1 − T₂ / T₁
Attenzione: le temperature devono essere in kelvin.
Terzo principio
L'entropia di un cristallo perfetto a 0 kelvin vale zero. Questo enunciato si chiama anche principio di Nernst.
Lo zero kelvin corrisponde a circa −273 °C. È la temperatura più bassa possibile.
Applicazioni nella tecnica
I principi della termodinamica si usano in molte macchine:
- Motori termici di auto, moto e aerei: trasformano calore in lavoro.
- Frigoriferi e pompe di calore: spostano calore usando lavoro elettrico.
- Centrali termoelettriche: il vapore muove la turbina e produce corrente.
- Climatizzatori: scaldano d'inverno e raffreddano d'estate.
Riferimenti
Argomento previsto dalle Indicazioni nazionali per gli Istituti tecnici, settore tecnologico (indirizzi Meccanica, Meccatronica ed Energia).
Disciplina: Fisica nel primo biennio; Meccanica, macchine ed energia nel secondo biennio e quinto anno.
Per approfondire si possono consultare i manuali scolastici di fisica e di meccanica adottati dall'istituto.
Parole difficili
- Energia interna: somma dell'energia di tutte le particelle dentro un corpo.
- Calore: energia che passa tra due corpi a temperatura diversa.
- Lavoro: energia scambiata quando una forza sposta un oggetto.
- Entropia: grandezza che misura il disordine di un sistema.
- Sistema isolato: sistema che non scambia energia né materia con l'esterno.
- Rendimento: rapporto tra lavoro prodotto e calore assorbito.