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Termodinamica

Parte della fisica che studia le trasformazioni del calore in movimento e del movimento in calore.

Parte della fisica che studia le trasformazioni del calore in movimento e del movimento in calore.

Ogni qual volta il calore si trasforma in energia o che, al contrario, il movimento si trasforma in calore, dobbiamo ricorrere alle leggi della termodinamica per calcolare quantitativamente ciò che succede. Le leggi importanti della termodinamica sono tre e, in sostanza, dicono che: il calore e l’energia sono tra loro equivalenti.
Mentre l’energia meccanica (e l’energia elettrica) possono essere trasformate completamente in calore, il calore può essere solo parzialmente trasformato in energia meccanica (o elettrica). Per illustrare il primo principio si può ricorrere a un esempio: se facciamo con un trapano un foro in un pezzo di ferro, alla fine dell’operazione è facile constatare che sia il ferro sia la punta del trapano si sono riscaldati. Ciò accade perché il movimento meccanico della punta ha trasmesso, per attrito, una certa quantità di energia di movimento sia alle molecole del ferro sia a quelle della punta stessa.

Questo accresciuto movimento molecolare si mostra come aumento di temperatura: tale e quale come se avessimo sottoposto al calore di una fiamma sia il ferro sia la punta del trapano. Ecco dunque che quella quantità che chiamiamo «calore» e quella che chiamiamo «energia meccanica di movimento» non sono altro che due aspetti diversi (intercambiabili) della stessa grandezza fisica. Pertanto, una parte del lavoro (o energia meccanica) impiegata per fare il foro, alla fine si è trasformata in calore, mentre un’altra parte di lavoro è servita per strappare parti di metallo legate tra loro. Lo stesso avviene quando facciamo passare la corrente elettrica entro la resistenza di una stufa; l’energia elettrica si trasforma anche in questo caso in calore. Pensiamo ora a un caso opposto.
Nel motore di una motocicletta viene bruciata benzina, che produce calore. Il motore trasforma questo calore in movimento meccanico. Ma non tutto il calore della combustione della benzina viene trasformato in energia meccanica perché almeno una parte del calore prodotto viene assorbita dal motore e va poi a perdersi nell’aria. Il perché di questo fenomeno lo spiega il secondo principio della termodinamica: ogni motore termico (che trasforma il calore in energia meccanica) deve per forza assorbire calore a una temperatura alta (quella alla quale brucia la benzina nel cilindro) e ne deve riversare una parte verso l’ambiente esterno a una temperatura più bassa (quella dell’aria attorno allo scappamento).
In questo modo solo una parte del calore prodotto dalla benzina si può trasformare in movimento, di solito circa 1/4; gli altri 3/4 di calore vanno dispersi, a più bassa temperatura, nell’aria.

Il terzo principio della termodinamica, o teorema di Nernst, stabilisce invece che è impossibile, con un processo composto da un numero finito di passi, raffreddare un corpo fino allo zero assoluto.