Macchine Termiche
Macchina termica: dispositivo a funzionamento ciclico composto da:
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un insieme di sorgenti di calore ad alta temperatura, Ti, |
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un insieme di sorgenti a più bassa temperatura, Ti’ |
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un fluido operatore, detto anche sostanza termodinamica, S. |
Fig. 1
Fig. 1 Schema di principio di una macchina termica
che ne evidenzia gli scambi energetici.Le sorgenti calde hanno temperatura Ti;
quelle fredde Ti’.
Il calore, QC, fluisce dalle sorgenti a temperatura più alta al fluido di lavoro, una parte di esso, QF, viene ceduto alle sorgenti più fredde, il resto viene convertito in lavoro L verso l’esterno. Al termine di ciascun processo ciclico il fluido ritorna nelle condizioni iniziali, per cui la sua variazione di energia interna D U è nulla. Dalla prima legge Q = D U + L consegue che L = Q = QC - QF.
Il II Principio dell Termodinamica asserisce che il numero minimo di sorgenti di una macchina termica è due. In Fig. 2 è riportato lo schema di una macchina termica a due sole sorgenti, una calda a temperatura TC ed una fredda a temperatura TF. Nella rappresentazione grafica, la maggiore quantità di calore che fluisce dalla sorgente calda, QC, viene rappresentata da un tubo di flusso avente un diametro più grande dei diametri dei tubi in cui si ramifica. Questi ultimi conducono il calore QF alla sorgente fredda ed il lavoro L all’ambiente esterno. Il cerchio simboleggia il fluido operatore.
Fig. 2 Rappresentazione grafica di una macchina termica a due sorgenti
Rendimento di una macchina termica
Nella vita quotidiana il rendimento di una qualsiasi operazione viene definito come il rapporto fra i benefici usufruiti ed i costi dell’operazione:
In maniera analoga, si definisce rendimento di una machina termica il rapporto fra il modulo del lavoro eseguito ed il modulo del calore assorbito dalle sorgenti calde (Fig. 1):
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| considerando che L = QC - QF, si ha: | 
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Sottolineiamo ancora una volta che L, QC e QF indicano i valori assoluti del lavoro e del calore scambiato dal fluido termodinamico con l'ambiente esterno (sorgenti calde e fredde). |
Il costo di esercizio della macchina termica, QC , oltre che per produrre lavoro L, deve tener conto anche del calore QF che va a confluire nella sorgente fredda costituita spesso dall’atmosfera, da un fiume, da un lago,.dal mare... QF però risulta essere un notevole spreco; basti pensare ai problemi ambientali causati dall’inquinamento termico industriale e dai gas di scarico delle autovetture.
In Fig. 3 sono rappresentati tipici valori di rendimento di alcune macchine termiche in funzione della temperatura massima di esercizio T. La figura riporta anche, per confronto, il rendimento di una macchina termica di Carnot funzionante fra la temperatura minima TF e la temperatura massima T.
Fig. 3 Confronto fra i
rendimenti di vari motori. La linea curva rappresenta il rendimento di una macchina
ideale (macchina di Carnot) che opera con una sorgente fredda alla temperatura
di 300 K.
