Conversione calore - lavoro
La prima legge della termodinamica non pone alcun limite alla possibilità di conversione del lavoro in calore e viceversa: in un qualsiasi processo termodinamico è possibile avere come unico risultato la conversione del lavoro in calore come anche del calore il lavoro. In sintesi:
Conversione
di lavoro in calore L 
Q.
È possibile convertire lavoro in calore senza alterare lo stato del sistema.
Esempi:
1) Sistema = blocco che scivola su un piano con attrito; serbatoio = aria (Fig. 1)
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Q = L + D U |
Lavoro forza di attrito
(Fig.1) aumento
dell'energia interna DU
del blocco e, localmente, del piano di scorrimento
aumento della T del blocco e del piano
flusso di calore dal blocco e dal piano verso l’aria dell’ambiente.
La temperatura dell’aria non cambia apprezzabilmente. Il sistema blocco
piano di scorrimento ritornano nello stato termodinamico iniziale.
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2)
Sistema = pendolo che oscilla nell’aria e si ferma a causa dell’attrito;
serbatoio = aria (Fig .2)
Lavoro
della forza peso
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3)
Sistema = resistenza elettrica; serbatoio = acqua di un fiume (Fig. 3)
Lavoro di origine
elettrica
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Il lavoro è convertito
integralmente in calore. Le coordinate termodinamiche del sistema non subiscono
alcuna variazione. La trasformazione del lavoro in calore può proseguire all’infinito.
Se si compie un
qualsiasi tipo di lavoro a contatto con una riserva di calore, esso viene integralmente
convertito in calore senza che lo stato termodinamico del sistema cambi.
La conversione
di lavoro in calore ha un rendimento del 100% e può durare un tempo infinitamente
lungo.
Conversione
di calore in lavoro QL
Contrariamente a quanto sostiene il primo principio della termodinamica, si constata che è impossibile convertire integralmente calore in lavoro senza alterare lo stato del sistema o dell'ambiente, in definitiva dell'universo. Vediamolo attraverso due esempi.
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Sistema
= gas ideale in contatto termico con un serbatoio a T = cost (Fig. 4).
Processo: espansione isoterma reversibile,
DU = 0, ® Q = L + DU = L Þ Q = L si ha la conversione integrale di calore in lavoro, però lo stato del sistema cambia. Stato iniziale : (PA, VA), stato finale: (PB, VB). Riportando il sistema nella condizione iniziale, ripercorrendo la stessa trasformazione, si compierebbe un lacoro uguale ed opposto, con la conseguenza che il lavoro totale sarebbe nullo. Pertanto se si vuole produrre lavoro con una trasformazione isoterma occorre alterare le condizioni del sistema termodinamico. |
Condideriamo un altro caso, quello di trasformazioni cicliche:
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Al termine di un ciclo A ® B ® A, per il primo principio, poichè, DU = 0, in quanto l'energia interna del sistema è funzione di stato, si ha: Q = L Q rappresenta il lavoro totale scambiato dalla sostanza termodinamica con le sorgenti di calore: Q = QAB + QBA A ®
B la sostanza si scalda: QAB>0 L = QAB - QBA > 0; non tutto il calore assorbito dalla sostanza termodinamica viene convertito in lavoro, una parte viene ceduto alle sorgenti fredde. La conversione calore - lavoro non è integrale. |
In conclusione, il primo principio non pone alcun limite alla possibilità di convertire lavoro in calore e viceversa, si verifica però un fatto importante: si osserva che mentre nella conversione integrale
L
Q
al termine della trasformazione non si ha alcuna alterazione dello stato dell'universo, nella conversione inversa
Q
L
al termine della trasformazione, si ha comunque una modificazione dello stato dell'universo. Questo fatto sarà sancito dal secondo principio dell termodinamica che afferma che è impossibile realizzare una trasformazione termodinamica il cui unico risultato sia la trasformazione di calore in lavoro.
Fig.1
Fig.
2
