Il Primo Principio della Termodinamica non fornisce alcuna indicazione riguardo ad alcuni aspetti pratici.

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Ignazio Colli
5 anni fa
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1 Il Primo Principio dell ermodinmic non fornisce lcun indiczione rigurdo d lcuni spetti prtici. l evoluzione spontne delle trsformzioni; non individu cioè il verso in cui esse possono vvenire. Pistr cld Pistr più cld Acqu liquid fredd Acqu ghiccit Per il Primo Principio il fenomeno descritto qui sopr è descriviile come scmio di energi: se il clore psssse dll cqu (tempertur più ss) ll pistr (tempertur più lt), l energi dell cqu diminuiree e quell dell pistr umenteree. qulità dell energi e il rendimento delle trsformzioni che vvengono nelle mcchine termiche. Per il primo principio tutte le energie hnno ugule qulità. In seguito d un cert trsformzione o d un serie di trsformzioni in un mcchin tutto il clore fornito può essere trsformto in lvoro. Clore, Mcchin termic voro, = Secondo il Primo Principio è sempre possiile che tutto il clore veng trsformto in lvoro: cioè che il rendimento di un trsformzione, si ess pert o ciclic, risulti pri uno. esperienz h invece mostrto che tle rendimento è pri uno solo per lcune prticolri trsformzioni perte e che invece è sempre minore di uno per tutte le trsformzioni cicliche. 2

2 Secondo Principio dell ermodinmic Il Secondo Principio dell ermodinmic si s sulle osservzioni condotte per oltre un secolo sul funzionmento dei motori termici e sulle mcchine frigorifere. Il Secondo Principio, l pri del Primo, h le crtteristiche di un postulto cioè dell enuncizione di un verità che viene ritenut tle fintnto che qulcuno non dimostrerà il contrrio. Il Secondo Principio si present in molteplici forme enunciti : ognun lo descrive d un prticolre punto di vist, m ognun di queste prticolri descrizioni permette di trrre tutte le indiczioni che sono contenute nelle ltre. e molteplici forme ssunte dll enuncito del Secondo Principio si rifnno, principlmente, gli enunciti originli espressi rispettivmente d ord Kelvin, Mx Plnck e Julius Clusius. 3 Motori ermici Per trsformre il clore in lvoro sono necessri degli opportuni dispositivi che vengono detti motori termici i quli hnno le seguenti crtteristiche: Funzionno secondo trsformzioni cicliche: ll fine di ogni ciclo l mcchin si ripresent nelle condizioni inizili pront per fornire ncor lvoro. Ricevono clore d un sorgente tempertur elevt: collettori solri, rucitori limentti d comustiili fossili, rettori nucleri. Convertono prte del clore ssorito in lvoro, sotto form d esempio di rotzione di un lero motore. Cedono l prte che non è possiile utilizzre del clore ssorito un sorgente tempertur ss: l ri tmosferic, l cqu di un fiume o del mre, etc. 4 2

3 Sorgenti di Clore sorgenti di clore corpi di mss tlmente grnde d poter cedere od ssorire un qulsisi quot di clore senz che l loro tempertur suisc vrizioni. Esempio: un processo di comustione, il sole, l ri tmosferic, l cqu di un lgo, del mre, di fld 5 Rppresentzione schemtic di un mcchin termic = 0 = = 0 = - < 6 3

4 Secondo Principio secondo Kelvin-Plnck I risultti delle esperienze condotte nello sviluppo delle mcchine termiche hnno dimostrto prticmente che esiste un limite ll trsformzione di clore in lvoro, ed è impossiile convertire in lvoro, medinte un processo che operi con continuità, tutto il clore sottrtto d un sorgente. Sinteticmente questo è rissunto nell enuncito di Kelvin-Plnck del secondo principio: E impossiile costruire un mcchin opernte secondo un processo ciclico che trsformi in lvoro tutto il clore estrtto d un sol sorgente tempertur uniforme e costnte nel tempo. uest mcchin non può funzionre! 7 Rendimento di un mcchin termic rendimento risultto ottenuto energi impiegt Principio sistem chiuso e trsformzione ciclic DU = 0 = = < 8 4

5 Mcchine frigorifere e Pompe di clore E esperienz comune che il clore pss spontnemente d corpi tempertur elevt corpi ss tempertur. Per fre vvenire il processo contrrio è necessrio mettere punto degli opportuni dispositivi che vengono detti mcchine frigorifere o pompe di clore, i quli hnno le seguenti crtteristiche: Funzionno secondo trsformzioni termodinmiche cicliche: ll fine di ogni ciclo l mcchin si ripresent nelle condizioni inizili pront trsferire ncor clore. Assorono clore d un sorgente ss tempertur. Cedono il clore ssorito un sorgente tempertur elevt. Necessitno di un ulteriore quot di energi immess dll esterno sotto form di lvoro (o clore). 9 Rppresentzione schemtic di un mcchin frigorifer = 0 = (-) = 0 = - < 0 5

6 Secondo Principio secondo Clusius esperienz dimostr che il pssggio spontneo di clore vviene solo d un corpo d lt tempertur d uno ss tempertur. Medinte l intervento dell uomo, o se si preferisce medinte l intervento di un mcchin, è invece possiile fr pssre del clore d corpi ss tempertur corpi d lt tempertur. Anche questo trsferimento forzto di clore h dei limiti rissunti nell enuncito del Secondo Principio che v sotto il nome di Clusius: E impossiile costruire un mcchin opernte secondo un processo ciclico il cui unico risultto si il trsferimento di clore d un corpo tempertur inferiore d un corpo tempertur superiore. uest mcchin non può funzionre! < Prestzione di un mcchin frigorifer F coefficiente di prestzione risultto ottenuto energi impiegt PdC coefficiente di prestzione risultto ottenuto energi impiegt DU = = 0 Principio cicli < F PdC PdC = F + 2 6

7 Reversiilità e Irreversiilità dei Processi Un trsformzione reversiile è un trsformzione che può essere ripercors in senso inverso senz che se ne trovi trcci ne sul sistem che l esegue ne sull miente circostnte. Un trsformzione reversiile è un trsformzione idele nell qule gli ttriti sono nulli e gli scmi di energi possono essere invertiti di segno. Nell reltà ci si può solo vvicinre tle processo idele senz però mi relizzrlo completmente. e trsformzioni reversiili sono tuttvi di grnde utilità come strumento di confronto con le trsformzioni reli. e mcchine motrici (motori lterntivi, turine vpore o gs) che operno secondo cicli reversiili producono il mssimo lvoro possiile. e mcchine opertrici (compressori, ventiltori, pompe) che operno secondo cicli reversiili richiedono l minor quntità di lvoro possiile. unto più in un mcchin rele ci si vvicin un ciclo reversiile tnto mggiore srà il lvoro ottenuto d un mcchin motrice e minore il lvoro richiesto d un mcchin opertrice. e cuse che rendono le trsformzioni reli trsformzioni irreversiili sono le seguenti: presenz di ttrito: legto orgni in movimento; espnsioni e compressioni non qusi-sttiche scmi di clore ttrverso slti finiti di tempertur 3 eoremi di Crnot Il rendimento di un motore termico irreversiile è sempre inferiore quello di uno che operi in mnier reversiile tr le stesse sorgenti di clore. I rendimenti di tutti i motori termici reversiili che operino tr le stesse sorgenti di clore sono gli stessi loro negzione è in contrsto con il secondo principio. Il rendimento di un ciclo reversiile dipende solo dlle temperture delle sorgenti: e quindi: rev f (, ) f (, ) 4 7

8 Rendimento di un motore reversiile ord Kelvin propose di scegliere l scl di tempertur in modo che vlesse l relzione più semplice tr quntità di clore scmite e temperture cui vviene lo scmio: E nt così l scl ssolut o Kelvin per le temperture e si può dire che il rendimento di un motore di Crnot o di un qulsisi ltro motore reversiile tr due sorgenti temperture e vle: rev 5 Prestzioni di mcchin frigorifer e pomp di clore reversiili llo stesso modo per un mcchin frigorifer che oper secondo un ciclo reversiile vle llor l relzione: F llo stesso modo per un pomp di clore che oper secondo un ciclo idele vle llor l relzione: PdC 6 8

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