Carnot

La seconda legge della termodinamica

La seconda legge della termodinamica pone un limite all’efficienza dei processi di conversione dell’energia. Anche se l’energia trasferita come calore è effettivamente il trasferimento di energia, c’è qualcosa di diverso nell’energia termica. Il modo in cui gli scienziati definiscono il calore è un po ‘ diverso dal modo in cui la maggior parte delle persone capisce il calore. Se due corpi di temperature diverse vengono messi in contatto tra loro, ci sarà un trasferimento di energia dal corpo caldo al corpo freddo e tale trasferimento continuerà fino a quando i due corpi non avranno la stessa temperatura. Questo trasferimento di energia è chiamato calore. La temperatura di ogni corpo è dovuta alla sua ” energia interna.”Questa energia è immagazzinata come l’energia cinetica delle molecole vibranti e in movimento ed è una funzione della temperatura e della pressione del materiale. Più caldo è il materiale, più velocemente le molecole si muovono. Quando l’energia viene trasferita come calore, il corpo più caldo perde parte della sua energia interna e il corpo più freddo guadagna una certa energia interna. Non è quindi corretto dire che un corpo caldo contiene calore; contiene energia interna e può trasferire parte di quell’energia a un corpo più freddo come calore. Il corpo più freddo converte quindi quell’energia in energia interna. Il trasferimento di quell’energia interna è ciò che viene chiamato calore. Il lettore può ora tornare alla sezione precedente sulla prima legge della termodinamica e vedere tutti i miei errori deliberati scritti sulla parola calore. Per esempio, ho detto che nel sole “gli atomi di idrogeno sono fusi insieme sotto intenso calore e pressione per formare atomi di elio.”Questo non è corretto; avrei dovuto dire che” gli atomi di idrogeno sono fusi insieme a temperature e pressioni molto elevate per formare atomi di elio.”

Esistono tre diversi metodi di trasferimento del calore: conduzione, convezione e radiazione.

Quanto calore può essere trasferito tra due corpi dipende dalle loro temperature e dal metodo di trasferimento del calore. L’energia termica non può essere convertita interamente in lavoro o energia meccanica, elettricità o qualsiasi altra forma di energia. Questo ha un grande impatto sull’efficienza dei motori termici. Quando il carburante viene bruciato in un motore termico, l’energia chimica immagazzinata nei legami chimici delle molecole di carburante viene rilasciata. Questa energia viene trasferita al motore come calore; tuttavia, non tutto il calore può essere convertito in energia meccanica. Quando le persone stavano sviluppando e cercando di perfezionare i motori termici, come il motore a combustione interna, hanno scoperto questa limitazione e hanno dovuto capirla. Il risultato fu la formulazione della seconda legge della termodinamica.

Il lavoro fondamentale in questo settore era dovuto a un ingegnere francese chiamato Sadi Carnot. Nel 1824 pubblicò un articolo intitolato Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to Develop This Power. Questo documento ha presentato l’idea che la quantità di lavoro svolto da un motore termico è dovuta al flusso di calore da un corpo caldo a un corpo freddo. La comprensione di Carnot del calore era ancora impantanata nella teoria calorica errata del calore, ma le sue conclusioni erano ancora valide. La sua analisi ha determinato che il calore teorico che poteva essere trasferito al motore termico era proporzionale alla differenza di temperatura tra la fonte di calore (il corpo caldo) e il dissipatore di calore (il corpo freddo). Questa analisi gli ha permesso di calcolare l’efficienza teorica di un motore termico, che si è rivelato molto inferiore all’efficienza di altri processi di conversione dell’energia.

Una certa comprensione di entropia è necessaria per comprendere appieno le limitazioni del consumo di energia. Questo è illustrato nell’appendice A e discusso nella prossima sezione.

Una delle conseguenze della seconda legge della termodinamica è che, quando si brucia carburante per guidare un motore termico, solo una parte del calore dal carburante può essere convertito per funzionare nel motore. Il resto deve essere rifiutato in un dissipatore di calore, che di solito è l’atmosfera che circonda il motore. Di conseguenza, i motori termici sono intrinsecamente inefficienti. Un’altra conseguenza è che riscaldare la tua casa con un elemento riscaldante elettrico sarà molto più costoso rispetto all’utilizzo della maggior parte degli altri combustibili. Questo perché l’elettricità è stata creata utilizzando un motore termico inefficiente in cui parte del calore doveva essere respinta all’ambiente circostante. Se il vostro obiettivo è quello di aumentare la temperatura di un certo spazio (come ad esempio la vostra casa), è meglio bruciare un combustibile direttamente e catturare quanto più di quel calore nella vostra casa il più possibile. L’efficienza del riscaldamento diretto bruciando un combustibile è molto più alta della creazione di elettricità in cui parte del calore deve essere perso. Tutto questo è stato analizzato da Sadi Carnot utilizzando il suo ciclo di Carnot e pubblicato nel 1824.

Sadi Carnot era il figlio maggiore di un rivoluzionario francese di nome Lazare Carnot e nacque il 1 giugno 1796, durante il culmine della Rivoluzione francese. Sadi ha studiato presso l’École Polytechnique a partire dal 1812. Quando Sadi si laureò nel 1814, l’impero di Napoleone era in fuga e gli eserciti europei stavano invadendo la Francia. Durante il ritorno di Napoleone al potere nel 1815, il padre di Sadi, Lazare Carnot, fu ministro degli Interni per alcuni mesi. Dopo la sconfitta finale di Napoleone nello stesso anno, Lazare fuggì in Germania, per non tornare mai più in Francia.

Sadi Carnot fu un ufficiale dell’esercito per la maggior parte della sua vita, ma nel 1819 semirestito dall’esercito iniziò a dedicare la sua attenzione alla progettazione di motori a vapore. Questi motori erano i principali cavalli di battaglia dell’Europa, in particolare della Gran Bretagna, e venivano utilizzati per pompare acqua dalle miniere, dragare porti e fiumi, macinare il grano e girare e tessere tessuti; tuttavia, erano un po ‘ inefficienti. L’importazione dei motori a vapore britannici più avanzati in Francia dopo la guerra mostrò a Carnot quanto i francesi fossero rimasti indietro nella loro tecnologia. Egli era particolarmente costernato che gli inglesi avevano progredito finora attraverso il genio di alcuni ingegneri che mancava di qualsiasi vera educazione scientifica. Gli ingegneri britannici avevano anche accumulato e pubblicato dati affidabili sull’efficienza di molti tipi di motori in condizioni di funzionamento effettive; discutevano sui meriti dei motori a bassa e alta pressione e dei motori monocilindrici e multicilindrici.

Carnot comprese implicitamente che le grandi civiltà hanno bisogno di sfruttare l’energia per far avanzare la loro tecnologia. Convinto che l’inadeguato utilizzo del vapore da parte della Francia fosse un fattore nella sua caduta, iniziò a scrivere un lavoro non tecnico sull’efficienza dei motori a vapore. Altri lavoratori prima di lui avevano esaminato la questione del miglioramento dell’efficienza dei motori a vapore confrontando l’espansione e la compressione del vapore con la produzione di lavoro e il consumo di carburante. Nel suo saggio, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Riflessioni sulla Potenza Motrice del Fuoco e le Macchine Necessarie per Sviluppare Questo Potere), pubblicato nel 1824, Carnot ha dato un sacco di attenzione alla teoria del processo non riguardanti se stesso, come hanno fatto altri, con le sue particolari meccanici.

Carnot ha dichiarato che, in un motore a vapore, la forza motrice viene prodotta quando il calore “scende” dalla temperatura più alta della caldaia alla temperatura più bassa del condensatore, proprio come l’acqua, quando cade, fornisce energia in una ruota idraulica. Ha lavorato nel quadro teorico della teoria calorica del calore, supponendo che il calore fosse un gas che non poteva essere né creato né distrutto. Anche se questa ipotesi è stata errata e Carnot stesso aveva dubbi su di esso, anche mentre stava scrivendo il suo saggio, molti dei suoi risultati erano tuttavia vero. Uno di questi era la sua previsione che l’efficienza di un motore idealizzato dipende solo dalla temperatura delle sue parti più calde e fredde e non dalla sostanza (vapore o qualsiasi altro fluido) che guida il meccanismo.

Carnot ha capito che ogni sistema termodinamico esiste in un particolare stato termodinamico. Quando un sistema viene preso attraverso una serie di stati diversi e infine restituito al suo stato iniziale, si dice che si sia verificato un ciclo termodinamico. Nel processo di passare attraverso questo ciclo, il sistema può eseguire lavori sull’ambiente circostante, fungendo così da motore termico. Il ciclo che ha proposto e utilizzato nella sua analisi è ora noto come il ciclo di Carnot. Un sistema che subisce un ciclo di Carnot è chiamato un motore termico di Carnot, anche se un tale motore “perfetto” è solo teorico e non può essere costruito nella pratica.

L’antitesi di un motore termico è un frigorifero. Un motore termico brucia carburante come parte di un ciclo termodinamico per creare calore che viene convertito in energia meccanica. Un frigorifero invia il ciclo nella direzione opposta e utilizza energia elettrica per creare energia meccanica che poi pompa il calore dal corpo freddo al corpo più caldo.

Dove,

W è il lavoro svolto dal sistema (energia che esce dal sistema come lavoro).

QH è il calore immesso nel sistema (energia termica che entra nel sistema).

TC è la temperatura assoluta del serbatoio freddo.

TH è la temperatura assoluta del serbatoio caldo.

Questa efficienza descrive la frazione dell’energia termica estratta dal serbatoio caldo e convertita in lavoro meccanico. Un ciclo di Rankine è di solito l’approssimazione pratica di un ciclo di Carnot per un motore a vapore. È indicato, nell’appendice A, che per tutto il ciclo che funziona fra le temperature TH e TC, nessuno può eccedere l’efficienza di un ciclo di Carnot.

Il teorema di Carnot è una dichiarazione formale di questo fatto: Nessun motore che funziona tra due serbatoi di calore può essere più efficiente di un motore di Carnot che funziona tra quegli stessi serbatoi. L’equazione 3.1 fornisce la massima efficienza possibile per qualsiasi motore che utilizza le temperature corrispondenti. Un corollario al teorema di Carnot afferma che: Tutti i motori reversibili che operano tra gli stessi serbatoi di calore sono ugualmente efficienti. Il lato destro dell’equazione 3.1 fornisce quella che può essere una forma più facilmente comprensibile dell’equazione: l’efficienza massima teorica di un motore termico è uguale alla differenza di temperatura tra il serbatoio caldo e freddo diviso per la temperatura assoluta del serbatoio caldo. Per trovare la temperatura assoluta in gradi Kelvin, aggiungere 273,15° alla temperatura Celsius. Per trovare la temperatura assoluta in gradi Rankine, aggiungere 459,6° alla temperatura Fahrenheit. Guardando la formula nell’equazione 3.1, un fatto interessante diventa evidente. Abbassare la temperatura del serbatoio freddo avrà più effetto sull’efficienza del soffitto di un motore termico che aumentare la temperatura del serbatoio caldo della stessa quantità. Nel mondo reale, questo può essere difficile da raggiungere poiché il serbatoio freddo è spesso una temperatura ambiente esistente, come l’atmosfera.

In altre parole, la massima efficienza si ottiene se non viene creata nuova entropia nel ciclo. In pratica, lo scarico di calore richiesto nell’ambiente per smaltire l’entropia in eccesso porta a una riduzione dell’efficienza. L’equazione 3.1 fornisce l’efficienza di qualsiasi motore termico teoricamente reversibile.

Carnot si rese conto che in realtà non è possibile costruire un motore termodinamicamente reversibile. I motori termici reali sono meno efficienti di quanto indicato dall’equazione 3.1. Tuttavia, l’equazione 3.1 è estremamente utile per determinare la massima efficienza che potrebbe mai essere prevista per un dato insieme di serbatoi termici.

Esiste anche il ciclo Stirling che può essere utilizzato per realizzare un pratico motore termico a combustione esterna, ma questo motore non è mai stato commercializzato. Nonostante questo c’è molto interesse nello sviluppo di motori Stirling perché una grande varietà di combustibili può essere utilizzata per guidare tali motori, compresa l’energia solare. Il motore Stirling è un’alternativa al motore a ciclo Rankine.

La dichiarazione di entropia della seconda legge consente inoltre agli scienziati di analizzare le reazioni chimiche, il comportamento di fase dei fluidi e molti altri processi apparentemente non collegati. Spiega anche perché le persone dicono di usare l’energia quando stanno effettivamente convertendo l’energia da una forma all’altra. Quando il combustibile viene bruciato per generare energia, l’energia chimica viene convertita in calore e quindi parte di tale energia termica viene convertita in elettricità. Alcuni di essi vengono anche rifiutati nell’atmosfera dove non è più utilizzabile. Questa elettricità crea luce in una lampadina, che viene anche persa come calore nell’atmosfera.

Se il carburante viene utilizzato per alimentare un motore a combustione interna per guidare un’automobile dopo che parte del calore viene respinto nell’atmosfera, il resto dell’energia del carburante crea energia cinetica utile e utilizzabile. Tutta quell’energia cinetica alla fine viene persa come calore di attrito, che viene anche perso nell’atmosfera. Tutta l’energia che “usiamo” si perde come calore che è stato per lo più trasferito nell’atmosfera, alcuni dei quali vengono poi irradiati attraverso lo spazio ad altre parti dell’universo.

Un’altra conseguenza della prima e della seconda legge della termodinamica è che le macchine a moto perpetuo non sono possibili. La prima legge afferma semplicemente che se si mette in moto una macchina fornendole energia potrebbe continuare a funzionare per sempre in un ambiente privo di attrito. Non si potrebbe estrarre più energia indietro fuori di esso che si mette in perché che violerebbe la prima legge. La seconda legge dice che non puoi nemmeno ottenere tanto quanto metti perché parte dell’energia viene persa come calore per attrito. Le macchine a moto perpetuo si dividono in due categorie: quelle che violano la prima legge della termodinamica e quelle che violano la seconda legge della termodinamica.

Il parametro entropia è anche una misura della casualità dell’universo, e la seconda legge afferma che la casualità dell’universo è in aumento. In altre parole, mentre i processi si svolgono, gli elementi dell’universo tendono a uno stato più disordinato.

La risposta alla domanda ” Cosa intendiamo quando diciamo che usiamo l’energia?”è che l’energia disponibile viene utilizzata e quindi convertita in energia non disponibile. L’energia elettrica, l’energia potenziale, l’energia cinetica e l’energia chimica nei combustibili sono tutte forme di energia disponibili. Energia persa nell’atmosfera mentre il calore diventa energia per lo più non disponibile. È difficile estrarre energia dall’atmosfera perché la temperatura non è abbastanza alta. L’effetto cumulativo dell’energia persa nell’atmosfera o nell’oceano è che è anche continuamente irradiata al resto dell’universo dove diventa completamente non disponibile. La seconda legge della termodinamica governa questo processo.

Le leggi della termodinamica hanno molte più applicazioni di quelle mostrate qui, ma questo va oltre lo scopo di questo libro. Qui è semplicemente necessario avere una piccola comprensione delle leggi della termodinamica in modo che i processi energetici possano essere compresi un po ‘ meglio.