Termodinamica

 

Secondo principio della termodinamica

Abbiamo ripetutamente visto in questi appunti che l'energia non si crea e non si distrugge ma si trasforma da una forma all'altra. Le due principali forme di energia che abbiamo introdotto finora sono: l'energia meccanica (detta anche lavoro) e l'energia termica (detta anche calore). Di conseguenza, le due principali conversioni possibili di energia sono: da lavoro a calore e da calore a lavoro. C'è però una fondamentale differenza: infatti la trasformazione da lavoro a calore non ha limiti, nel senso che un corpo può perdere tutta la sua energia meccanica in attrito e, quindi, in calore (un esempio è costituito dal mulinello di Joule). Viceversa, la trasformazione da calore a lavoro è soggetta a dei limiti. Ad esempio abbiamo visto che il rendimento di una macchina termica r = L / Q₂ è sempre minore di 1. Quindi è impossibile trasformare tutto il calore assorbito in lavoro, dal momento che ci sarà sempre un certo calore ceduto Q₁.

Questa impossibilità di avere macchine termiche con rendimento pari a 1 è conseguenza di un importante principio fisico che va sotto il nome di secondo principio della termodinamica. Ci sono diversi enunciati di tale principio. Ad esempio Lord Kelvin (William Thomson all'anagrafe, divenuto poi barone di Kelvin in virtù dei suoi riconosciuti meriti scientifici) enuncia il secondo principio della termodinamica come segue:

In altre parole, una volta che trasformiamo tutta l'energia meccanica in energia termica, non siamo più in grado di riconvertire tutta l'energia termica in energia meccanica. Comincia ad emergere una direzione privilegiata lungo la quale avvengono i fenomeni naturali.

Un altro enunciato del secondo principio della termodinamica è dovuto a Clausius:

È importante sottolineare l'importanza dell'aggettivo unico nell'enunciato del secondo principio della termodinamica. I frigoriferi ad esempio fanno passare calore da un corpo più freddo a un corpo più caldo ma quello non è l'unico risultato: i frigoriferi infatti assorbono anche energia elettrica. Anche dall'enunciato di Clausius emerge una direzione privilegiata nei fenomeni naturali: l'energia termica tende sempre a passare dai corpi ad alta temperatura ai corpi a bassa temperatura.