Macchine Carnot. Come funziona la macchina di Carnot?

Fino al 1824 si riteneva che le macchine termiche costruite potessero subire un funzionamento perfetto, cioè si pensava che potessero raggiungere il 100% di resa, o qualcosa di simile valore. In altre parole, gli scienziati dell'epoca credevano di poter utilizzare tutta l'energia termica fornito a queste macchine, cioè credevano di poter trasformare tutta quell'energia in lavoro.

L'ingegner Sadi Carnot si occupò, all'epoca, di effettuare dimostrazioni in cui era impossibile ottenere il 100% di resa. Sadi propose che una macchina termica teorica ideale avrebbe funzionato attraverso un ciclo particolare, ora chiamato Ciclo di Carnot.

Nella sua dimostrazione, Carnot concettualizzò due postulati, che furono proposti ancor prima che fosse enunciato il primo principio della termodinamica. Guarda cosa enunciano i postulati di Carnot:

1° Postulato di Carnot

• Nessuna macchina operante tra due temperature fisse può produrre un rendimento maggiore della macchina ideale di Carnot operante tra quelle stesse temperature.

2° Postulato di Carnot

• Quando si opera tra due temperature, la macchina ideale di Carnot ha la stessa efficienza, qualunque sia il fluido operativo, ed è completamente reversibile, senza aggiungere energia.

Secondo i postulati enunciati da Carnot, possiamo vedere la garanzia che l'efficienza di un motore termico è funzione delle temperature delle sorgenti calde e fredde. Tuttavia, fissando le temperature di queste sorgenti, la macchina teorica di Carnot è quella che riesce ad avere la massima efficienza.

Il ciclo di Carnot è un ciclo idealizzato, reversibile, in cui il fluido operativo è un gas perfetto, che corrisponde a due trasformazioni. isoterme sono le due adiabatico, intercalato. I processi descritti dal gas in questo ciclo sono:

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1.°) espansione isotermica DA, durante il quale il gas è a contatto con il sistema a temperatura costante TA (sorgente calda), ricevendo da esso una quantità di calore QA.

2.°) espansione adiabatica AB, durante i quali non avviene scambio termico con l'ambiente. Il sistema esegue il lavoro con una diminuzione dell'energia interna e, quindi, della temperatura.

3.°) BC contrazione isotermica, durante il quale il gas è a contatto con il sistema a temperatura costante TB (sorgente fredda), conferendogli una quantità di calore QB.

4.°) contrazione adiabatica CD, durante il quale il gas non scambia calore con l'ambiente. Il sistema riceve lavoro, che serve ad aumentare la sua energia interna e quindi la sua temperatura.

Nel ciclo di Carnot, il calore scambiato (Q_IL e Q_B) e temperature termodinamiche (T_IL e T_B) delle sorgenti calde e fredde sono proporzionali, la relazione essendo:

Sostituendo nell'equazione del rendimento di una macchina termica si ottiene, per la macchina di Carnot:

Considerando la temperatura della sorgente fredda (T_B) uguale a zero kelvin (zero assoluto), abbiamo η = 1 o η = 100%. Tuttavia, questo fatto contraddice la seconda legge della termodinamica, che garantisce che un reddito di 100%, il che ci porta a concludere che nessun sistema fisico può avere una temperatura uguale a zero assoluto.

di Domitiano Marchesi
Laureato in Fisica

Vorresti fare riferimento a questo testo in un lavoro scolastico o accademico? Guarda:

SILVA, Domitiano Correa Marques da. "Macchine di Carnot"; Scuola Brasile. Disponibile in: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquinas-carnot.htm. Consultato il 27 giugno 2021.