Che cos'è una macchina termica

Una macchina termica è un dispositivo che, ripetendo un ciclo, converte in modo continuo calore in lavoro utile. Il suo funzionamento richiede sempre due sorgenti a temperatura diversa: assorbe calore $Q_H$ da una sorgente calda a temperatura $T_H$, ne converte una parte in lavoro meccanico $L$, e cede il resto $Q_C$ a una sorgente fredda a temperatura $T_C$.

L’intuizione fisica è che il calore non si trasforma mai integralmente in lavoro: una parte deve sempre “scivolare” verso il freddo. È questo flusso spontaneo dal caldo al freddo che la macchina intercetta e in parte devia sotto forma di lavoro, come una ruota idraulica intercetta l’acqua che cade da un dislivello.

Schema di una macchina termica: assorbe calore $Q_H$ dalla sorgente calda, produce lavoro $L$ e cede $Q_C$ alla sorgente fredda.

Il rendimento $\eta$ misura quale frazione del calore assorbito viene effettivamente convertita in lavoro. Poiché su un ciclo completo l’energia interna torna al valore iniziale, il primo principio impone $L_\text{netto} = Q_H - |Q_C|$: tutto ciò che entra e non esce come calore ceduto diventa lavoro.

Principio — Rendimento

$\ev{\eta = \frac{L_\text{netto}}{Q_H} = 1 - \frac{|Q_C|}{Q_H}}$

Il rendimento è dunque sempre minore di $1$: sarebbe uguale a $1$ solo se $Q_C = 0$, cioè se la macchina non cedesse nulla al freddo. Ma questo è proprio ciò che il secondo principio vieta.

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Argomenti: Macchine termiche Concetti: Rendimento Oggetti: Macchina termica

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