Le macchine termiche

 

Le macchine termiche

Le macchine termiche sono degli apparecchi che sfruttano le trasformazioni termodinamiche di una data sostanza per produrre lavoro; il lavoro prodotto può essere poi riutilizzato.

Come abbiamo visto nel caso dei gas, se l’ambiente compie un lavoro positivo del gas, ad esempio attraverso una compressione, se la temperatura è costante, esso assorbe una quantità di calore pari al lavoro che viene svolto. L’energia assorbita permetterà al gas di compiere un lavoro positivo per riespandersi, fino a tornare alla situazione iniziale.

Questo tipo di funzionamento, però, non è utile in termini di lavoro; il lavoro effettuato dall’ambiente sul gas è uguale, in modulo, a quello che i gas può effettuare sull’ambiente, e ciò non è vantaggioso in termini pratici.

Occorre, quindi, trovare delle strategie per rendere il gas capace di compiere un lavoro utile senza che l’ambiente compia un lavoro iniziale su di esso; un modo per farlo ,ad esempio, è quello di raffreddare l’ambiente circostante, così da determinare una compressione naturale del gas. Quando il gas si espanderà compierà un lavoro utile, che può essere sfruttato; abbassando di nuovo la temperatura, poi, il sistema ritornerà nella situazione iniziale, e il gas potrà di nuovo compiere lavoro.

Sfruttando un ciclo di trasformazioni di questo tipo è possibile creare una macchina che produca lavoro utile;  è proprio su questo principio che si basa il funzionamento delle macchine termiche.

La macchina termica, quindi, effettua delle trasformazioni che sono di tipo ciclico, cioè trasformazioni per cui il sistema ritorna esattamente al punto di partenza in seguito alla trasformazione.

 

Una centrale idroelettrica

Un esempio di macchina termica è una centrale idroelettrica; il suo funzionamento si basa su una sorgente calda, che fornisce calore alla macchina, e una sorgente fredda, che permette alla macchina di ritornare al punto di partenza alla fine del ciclo.

 

centrale-elettrica
Esempio di funzionamento di una centrale idroelettrica.

 

Una parte del calore iniziale che viene fornito alla macchina servirà per scaldare una certa quantità di acqua, che, attraverso una pompa giungerà in una caldaia; qui verrà trasformata in vapore. Il vapore creatosi viene poi convogliato verso una turbina, dove azionerà il movimento delle pale presenti, compiendo così un lavoro utile. Questo lavoro viene sfruttato da un alternatore per produrre energia elettrica.

Dalla turbina, però, non tutto il vapore verrà utilizzato per compiere lavoro; una parte di esso viene convogliato verso la sorgente fredda. In questo modo, il ciclo si chiude, e la macchina si ritrova nella situazione di partenza, potendo cominciare un nuovo ciclo.

In generale, la sorgente fredda non mantiene la sua temperatura quando il ciclo si chiude; infatti, venendo a contatto con il vapore caldo, e dovendolo raffreddare, la sua temperatura subirà un aumento.

In termodinamica, però, al fine di semplificare lo studio di determinati fenomeni, si prendono in considerazione le cosiddette sorgenti ideali di calore, queste si definiscono tali perchè l’aumento (o la diminuzione) di temperatura è così piccolo da essere considerato trascurabile.  Le sorgenti ideali, quindi, mantengono la loro temperatura invariata, qualunque sia la quantità di calore che esse cedono o assorbono.

 

Il lavoro di una macchina termica

Con queste considerazioni, possiamo dare un’espressione del lavoro che viene prodotto nel caso di una macchina termica. Sappiamo, dal primo principio della termodinamica, che per una trasformazione ciclica il lavoro effettuato è uguale in modulo alla quantità di calore scambiato:

W = Q

Nel caso di una macchina termica dobbiamo considerare sia il calore che la macchina assorbe dalla sorgente calda (Qc) sia quello che essa cede alla sorgente fredda (Qf); quindi, il lavoro ottenuto può essere calcolato nel seguente modo:

$W = Q_c + Q_f = Q_c – |Q_f| $

Dalla formula, quindi, possiamo notare che non tutto il calore scambiato serve a produrre lavoro; vi è una parte di calore che viene sottratta, ed è quella che permetterà di ricominciare il ciclo di produzione.

 

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