Molto spesso quando ci imbattiamo in discussioni su argomenti energetici ci ritroviamo a parlare di macchine termiche oppure dei principi di funzionamento che le caratterizzano. Avete mai provato a cercare “macchine termiche” su Google? Se siete affamati di scienza sicuramente. Tranquilli vale anche la ricerca tattica per prendere un buon voto nel compito di scienze. Quante bellissime immagini che spiegano alla perfezione il principio di funzionamento della macchina termica… ma nella vita quotidiana a cosa ci serve?
La nozione classica, utilizzata in tutti i libri di scuola, associa la macchina termica ad un qualsiasi dispositivo che scambia calore e lavoro con l’ambiente circostante. Avete in mente cilindro e pistone? Se non vi si illumina la lampadina dovete assolutamente approfondire. Beh, un sistema cilindro – pistone è l’apoteosi di una macchina termica che sfrutta un ciclo termico per trasformare il calore, sprigionato dalla combustione del combustibile, in lavoro meccanico.
Scambiare calore è un concetto abbastanza intuitivo, se metto la pentola d’acqua sul fuoco la scaldo (sia l’acqua, sia la pentola), se cerco la famosa collana sul collo dell’amico con le mani fredde, e tanti altri esempi. Anche lo scambio del lavoro meccanico è intuitivo, pensate alla palla calciata da bambino, o professionista, o amatore. In generale su un corpo sto compiendo un lavoro meccanico se gli applico una forza che partecipa al suo movimento.
Abbiamo già trattato in questo articolo il principio della conservazione dell’energia, quindi è superfluo scrivere anche qui che calore e lavoro sono forme di energia tra loro compatibili e interscambiabili mediante processi energetici.
Dal momento che una macchina termica ha come obiettivo lo scambio di energia tra due sorgenti termiche, utilizzando appunto energia, per ottenere il riscaldamento o il raffreddamento, o entrambe le cose, dei sistemi; si pone nella discussione della teorizzazione fisica ma soprattutto nelle applicazioni della macchina termica quanto si consuma per ottenere questo beneficio, ossia il rendimento della macchina termica. Il rendimento indica il rapporto tra ciò che la macchina assorbe per funzionare e ciò che la macchina restituisce svolgendo la sua mansione. Dal momento che l’energia non cresce sugli alberi (o forse si?), nessuna macchina può restituirci più energia (o lavoro) di quello che assorbe. Purtroppo viviamo anche in un mondo in cui appena muovi qualcosa un po’ di energia si disperde nell’ambiente sotto forma di calore, e questo ci costringe ad accettare la triste realtà: una macchina termica con rendimento pari o superiore ad uno, per quanto ci sforziamo, non esiste.
Ovviamente, tra miti e favole, qualche buon scienziato si è preso la briga di cercare il massimo rendimento teorico per ogni processo che funziona ciclicamente tra due temperature note. Sto parlando del Ciclo di Carnot, teorizzato dallo studioso francese Sadi Carnot, da cui prende il nome anche la macchina di Carnot. Questa macchina ideale è semplicissima: un contenitore con un gas, che viene sottoposto a 4 trasformazioni. In ordine, esse sono isoterma, adiabatica, isoterma, adiabatica. Clicca sui nomi delle trasformazioni per approfondire.
Ma cosa ci facciamo con la macchina di Carnot? “Semplicemente” valutiamo la bontà della nostra macchina reale, qualunque essa sia, rispetto al rendimento massimo realizzabile mediante la macchina di Carnot per il medesimo servizio. Non è un concetto banale, perché la razionalizzazione dell’energia parte proprio da questo principio: risparmiamo dove è possibile. E come facciamo a capire se ci sono margini di miglioramenti se non con la macchina ideale di Carnot?