Il Secondo Principio della Termodinamica e le Macchine Termiche
Il primo principio della termodinamica, attraverso la definizione di entalpia, fornisce indicazioni sugli scambi di energia tra un sistema chimico e l’esterno, senza però offrire informazioni sul rendimento di una reazione e sulla sua spontaneità.
Il secondo principio della termodinamica, frutto di intense ricerche sulle macchine termiche sviluppatesi nell’Ottocento, riguarda i dispositivi attraverso i quali un fluido (gas o vapore) viene sottoposto a una trasformazione ciclica. Durante il ciclo termico, il calore viene scambiato dalla macchina con delle sorgenti esterne.
Enunciati
A differenza del primo principio, il secondo principio afferma che non è possibile trasformare integralmente il calore assorbito in lavoro meccanico. Inoltre, è impossibile che avvenga un processo naturale il cui unico effetto sia il trasferimento di calore dal corpo più caldo a quello più freddo. Per trasformare l’energia termica in energia meccanica, sono necessarie due sorgenti di calore: una a temperatura maggiore e l’altra a temperatura minore. Collegando tali sorgenti con una macchina termica, è possibile ottenere energia meccanica durante il trasferimento spontaneo del calore dalla sorgente più calda a quella più fredda. La macchina termica cessa di funzionare quando le temperature delle due sorgenti diventano uguali, richiedendo continuamente l’apporto di calore alla sorgente più calda.
Lavoro
Il lavoro utile ottenuto grazie alla trasformazione corrisponde alla variazione di energia libera ΔG tra lo stato finale e iniziale, mentre la frazione di energia termica non utilizzata viene dispersa nella sorgente fredda, aumentandone la temperatura. Il rendimento η della macchina è sempre inferiore a uno, rappresentando il rapporto tra il lavoro utile e la quantità totale di energia coinvolta per produrlo.
Principio di Carnot
Carnot, nel 1824, basò il suo approccio alle macchine termiche sull’analogia con le macchine idrauliche, stabilendo che il rendimento di una macchina termica è dato dal rapporto tra la quantità di lavoro calcolato e il lavoro teoricamente ottenibile. Ciò rappresenta un altro modo di esprimere il secondo principio della termodinamica.
Rendimento
Come esemplificato nella tabella, la maggior parte dell’energia non viene trasformata in lavoro utile dalla macchina, confermando che il rendimento è sempre inferiore a 1.
Conclusione
In generale, la macchina termica sfrutta il passaggio di calore a cascata, dalle sorgenti a temperatura maggiore a quelle a temperatura minore, simili a due livelli di energia potenziale. Questo meccanismo di trasferimento di energia si verifica anche nelle macchine elettrochimiche e nelle reazioni biochimiche, dove si verifica un’ulteriore cascata di energia durante il processo di produzione di lavoro.
In conclusione, il secondo principio della termodinamica offre importanti informazioni sul funzionamento delle macchine termiche e sul rapporto tra energia termica e lavoro utile ottenuto.
