Rendimento di una macchina termica

Percorso 9
Rendimento di una macchina termica
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Una macchina termica, in generale, è composta da un serbatoio S1 ad alta temperatura (T1), da un utilizzatore e
da un serbatoio S2 a temperatura minore (T2).
L’utilizzatore preleva una quantità di calore (energia) Q1 a una temperatura più elevata T1 (T1 > T2), utilizza una
quantità di calore trasformandola in lavoro L (Q1 - Q2) e cede all’ambiente esterno il calore Q2 a temperatura inferiore T2.
Non è possibile che il motore funzioni se la temperatura del serbatoio S1 non è maggiore della temperatura del
serbatoio S2, in quanto ciò violerebbe il secondo principio della termodinamica.
In un motore a combustione interna (a benzina, a gasolio o ad altro combustibile) il serbatoio S1 è la camera di
scoppio dove la reazione di combustione fortemente esotermica (ΔH < 0) produce l’espansione dei gas prodotti
dalla stessa reazione.
I gas caldissimi spingono il pistone, il cui moto lineare viene poi convertito in moto rotatorio attraverso la biella
e l’albero motore.
Il serbatoio S2 è l’ambiente esterno dove vengono scaricati i gas caldi residui alla temperatura T2.
Solo una piccola parte del calore viene convertito in energia meccanica poiché il motore stesso viene scaldato
(quindi assorbe energia termica) e per evitare che esso fonda deve essere dotato di un efficiente sistema di raffreddamento.
Inoltre i gas di scarico, quando vengono liberati nell’ambiente, hanno una temperatura elevata (T2) e questo fa
si che venga dispersa, e non trasformata in lavoro, altra energia termica.
Il rendimento termodinamico (η) massimo di una macchina termodinamica è dato dal rapporto tra il lavoro (L)
prodotto dalla macchina e il calore da essa assorbito (Q1):
η=
L
Q Q2
Q2
= 1
=1
Q1
Q1
Q1
Da ulteriori studi è emerso che il rendimento termodinamico (η) può essere determinato anche dalla seguente relazione:
η=
T1 T2
T
=1 2
T1
T1
Da questa relazione si evince che maggiore è la differenza tra la temperatura del serbatoio di calore S1 (T1) e quella
del serbatoio di calore S2 (T2), maggiore sarà il rendimento termodinamico (η).
Comunque, il rendimento termodinamico (η) non potrà essere mai maggiore di 1 (100%); inoltre per il secondo
principio della termodinamica non potrà mai essere 1, perché ciò significherebbe che tutto il calore si è trasformato in lavoro.
Nella realtà il rendimento termodinamico (η) di un motore diesel è del 25%, quello a benzina arriva al 15%, per
motori a turbina come quelli dei jet e per le moderne centrali termoelettriche a gas si può arrivare al 45%.
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