Fig. 1 L ® QReversibilità, irreversibilità e II Principio
In un processo ciclico
reversibile al termine del processo non si ha alcun cambiamento delle proprietà
termodinamiche dell’universo. Un processo che non soddisfi questa condizione si dice irreversibile.
Si dice reversibile un processo
ciclico in cui sia il sistema che l’ambiente ritornano nello stato di equilibrio
preesistente all’inizio del processo.
Tipi di irreversibilità |
| Irreversibilità meccanica esterna |
| Irreversibilità meccanica interna |
| Irreversibilità termica |
| Irreversibilità chimica |
Irreversibilità meccanica esterna
I processi isotermi per i quali del lavoro esterno eseguito su di un sistema, il cui stato resta immutato, si trasforma in energia interna di un serbatoio a contatto con il sistema sono irreversibili. Questo tipo di irreversibilità è denominata irreversibilità meccanica esterna.
Fig. 1 L ® Q
Esempi di processi con irreversibilità meccanica esterna
| Passaggio di corrente in una resistenza a contatto con un serbatoio | |
| Ciclo d’isteresi in un materiale magnetico a contatto con un serbatoio | |
| Agitazione di un liquido a contatto con un serbatoio | |
| Caduta di una massa in una serbatoio di calore | |
| Deformazione di un solido a contatto con un serbatoio |
| Fig. 2 | Fig. 3 | Fig. 4 | Fig. 5 |
Come ripristinare lo stato iniziale dell’universo
Un modo per recuperare il lavoro convertito in calore assorbito dal serbatoio in un processo a irreversibilità meccanica esterna potrebbe consistere nell'utilizzare il serbatoio come una sorgente calda di una macchina termica, di cedere :
Fig. 6
così facendo si recupererebbe il lavoro L, però l'ambiente ne rimarrebbe modificato a causa dell'intervento della sorgente fredda. Si potrebbe pensare di fare a meno della sorgente fredda e di estrarre dal serbatoio la quantità di calore Q e riconvertirla integralmente in lavoro L dal'ipotetico motore ad una sola sorgente (Fig. 7).
Fig. 7
Una macchina di questo genere violerebbe però il II principio della terodinamica.
Esempi di processi con irreversibilità meccanica esterna
Processi in cui si ha trasformazione di L in energia interna di un sistema termicamente isolato.
Fig. 8
| Compressione adiabatica di un gas (Fig. 9a) | |
| Passaggio di corrente in una resistenza elettrica immersa in un mezzo termicamente isolato (Fig. 9b) | |
| Isteresi in un materiale dielettrico termicamente isolato (Fig. 9c). | |
| Trasformazione di energia potenziale in energia interna di un sistema termicamente isolato (Fig. 9d). | |
| Deformazione anelastica di un solido termicamente isolato | |
| ……. |
Si parla di irreversibilità meccanica interna tutte le volte che l’energia interna di un sistema si trasforma a causa di una instabilità meccanica e per effetti dissipativi.
Esempi di irreversibilità meccanica interna:
| Espansione libera di un gas | |
| Espansione di un gas attraverso una strozzatura o un setto poroso | |
| Rottura di una membrana | |
| Rottura di un filo sotto tensione |
L’espansione libera di un gas è una
trasformazione irreversibile. Lo si dimostra ricorrendo alla II legge della termodinamica
Tentativo di ripristino spontaneo dello stato i a partire dallo stato f.
Ad espansione avvenuta, per riportare il sistema allo stato iniziale occorre comprimere
tutto il gas nel vano a sinistra eseguendo del lavoro esterno; come conseguenza però il
gas si riscalda. Si potrebbe immaginare di trasformare l’aumento di energia interna
del sistema in calore Q da utilizzare tutto come lavoro L. In tal caso sistema e ambiente
ritornerebbero nelle condizioni iniziali e la trasformazione sarebbe reversibile. Una
conversione integrale del calore in lavoro utilizzando una sola sorgente a temperatura
uniforme violerebbe però la II legge della termodinamica. Parte del calore Q deve essere
necessariamente ceduta all’ambiente esterno.
Il ripristino dello stato iniziale del sistema comporta perciò una modifica
dell’ambiente esterno.
Irreversibilità termica esterna
Tutte i processi in cui si ha trasferimento di calore fra due corpi a causa di una differenza finita di temperatura, sono caratterizzati da una irreversibilità termica esterna.
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Per riportare il sistema dei sue corpi allo stato iniziale occorre estrarre calore da uno di essi e farlo fluire nell’altro. Per far questo rispettando il II principio è necessario utilizzare un frigorifero reale, il cui uso però implica una modifica nell’ambiente circostante i due corpi a causa del lavoro L che bisogna fornire dall’esterno. |
Irreversibilità termica interna
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Nel sbarra metallica a contatto con due serbatoi a temperature diverse scorre calore a causa della distribuzione di temperatura lungo di essa. Il processo è irreversibile. Si parla di irreversibilità interna poiché vengono coinvolte parti dello stesso sistema. |
Cause dell’irreversibilità
| Instabilità meccaniche, termiche, chimiche; assenza cioè di equilibrio termodinamico. | |
| Effetti dissipativi: attriti,
viscosità, isteresi dielettrica, isteresi magnetica, anelasticità resistenza elettrica... |
Condizioni necessarie e sufficienti affinché una trasformazione sia reversibile:
Il concetto di Reversibilità è una pura astrazione di notevole valore teorico. Ammesso che sia possibile realizzare una trasformazione quasistatica operando con notevole lentezza in modo da apportare modifiche infinitesime ai parametri termodinamici , l’eliminazione degli effetti dissipativi è impossibile.
Esempi di possibili trasformazioni quasistatiche non reversibili:
| Moto di un pistone in un cilindro: l’attrito dinamico tra le superfici sussiste
anche a basse velocità; al limite quando il pistone parte da fermo esso incontra l’attrito statico. | |
| Isteresi magnetica: per quanto lenta possa essere la magnetizzazione di un metallo, sussiste sempre l’attrito tra i domini magnetici. |
Indice Termodinamica
