Perché Carnot è un faro

Perché Carnot è un faro: il rendimento massimo come "muro" della natura

Il ciclo di Carnot è una macchina che nessuno costruirà mai: le sue trasformazioni sono perfettamente reversibili, dunque infinitamente lente, dunque di potenza nulla. Eppure il suo rendimento $\eta_C = 1 - T_f/T_c$ è una delle quantità più importanti della fisica. Perché? Perché fissa un tetto universale che nessun motore termico, per quanto raffinato, potrà mai superare. Una centrale a vapore con turbina ad alta pressione, un motore d’auto, una cellula muscolare che converte ATP in lavoro meccanico: tutti devono rispettare questo limite, perché è una diretta conseguenza del secondo principio.

C’è qualcosa di rivoluzionario in questo modo di ragionare. Carnot, nel 1824, non parte dal funzionamento concreto di una macchina per calcolarne le perdite; parte da un’astrazione — il ciclo ideale reversibile — e dimostra che, qualunque cosa esista realmente, dovrà avere rendimento minore o uguale all’ideale. È un argomento di impossibilità: “non si può fare di meglio”. La fisica del Novecento erediterà questo modo di pensare — si pensi al teorema di Bell, al limite di Planck per la radiazione, al principio di indeterminazione — e ne farà uno dei suoi strumenti distintivi.

C’è anche una conseguenza pratica importante. Il rapporto $T_f/T_c$ dice che aumentare la temperatura della sorgente calda è molto più efficace, per il rendimento, che diminuire quella della sorgente fredda: è per questo che i forni industriali si spingono a temperature estreme. Ed è per la stessa ragione che le centrali termoelettriche perdono efficienza nelle estati più torride: il fiume in cui scaricano il calore residuo, più caldo del solito, fa salire $T_f$ e il rendimento di Carnot scende. Le leggi della termodinamica si manifestano anche nel paesaggio energetico globale, non solo nel pistone di un motore.

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Argomenti: Macchine termiche Concetti: Ciclo di Carnot · Secondo principio della termodinamica

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