Ciclo teorico di Carnot
Ciclo teorico di Carnot
Ciclo di Atkins
Per capire il funzionamento di questa macchina bisogna seguire le variazioni di pressione del gas all'interno del cilindro.
Se il pistone entra nel cilindro la pressione del gas aumenta e il suo volume diminuisce.
L'aumento di pressione dipende dalle condizioni in cui avviene la compressione: se il cilindro può cedere calore all'esterno la temperatura del gas in compressione non aumenta. La curva che rappresenta questa condizione è una isotermica.
Se il cilindro è isolato termicamente il gas in compressione vede aumentare, oltre alla pressione, anche la sua temperatura. La curva che rappresenta questa trasformazione si chiama adiabatica.
Il ciclo parte dal punto A. Il pistone è inserito completamente nel cilindro che è a contatto con la sorgente calda.
Il volume del gas è al minimo, la sua pressione è massima così come la temperatura.
L'elevata pressione spinge indietro il pistone e il motore produce potenza. Dal punto A fino al punto B la curva deve essere isotermica e, poichè un gas in espansione tende a raffreddarsi, occorre fornire calore mantenendo il cilindro a contatto con la sorgente calda. Il motore mentre produce lavoro assorbe calore.
Nel ciclo di Atkins si giunge al punto B, da qui il pistone viene riportato al punto A perchè l'albero motore continua a girare, mantenuto in rotazione dal volano.
Se la compressione è isotermica il gas ritorna allo stato iniziale seguendo una curva uguale a quella dell'espansione. Questo ciclo è inutile perchè tutto il lavoro prodotto durante l'espansione viene consumato per riportare il pistone e il gas allo stato iniziale.
Per rendere il ciclo utile bisogna fare in modo che la fase di compressione richieda meno lavoro di quello prodotto durante la fase di espansione. Questo risultato si ottiene con una compressione adiabatica. Quando il pistone giunge al punto B (ciclo di Carnot) bisogna staccare la sorgente calda, dal punto B al punto C viene ancora prodotto lavoro ma non viene più consumato calore. La curva adesso è una adiabatica.
Da C a D il cilindro è messo a contatto con la sorgente fredda (per ridurre la pressione). Il gas non si scalda perchè il calore prodotto dalla compressione viene ceduto alla sorgente fredda. Questa curva è isotermica. Dal punto D al punto A il gas si deve scaldare, viene staccata la sorgente fredda e la curva è ora una adiabatica.. In questo caso la fase di espansione ha prodotto più lavoro di quello consumato durante la compressione. Come previsto dal secondo principio della Termodinamica, senza la sorgente a bassa temperatura non è possibile produrre lavoro.
Il secondo principio della Termodinamica dice appunto che non è possibile trasformare tutto il calore in lavoro, è necessario perderne una parte.