STEP #03-LA SCIENZA

Lo studio del motore diesel si colloca nell’ambito della Termodinamica. La termodinamica è quella  branca della fisica classica e della chimica interessata a descrivere i fenomeni in cui hanno rilevanza i concetti di calore e lavoro e ad analizzare le problematiche di conversione dell’energia da una forma all’altra. A differenza delle altre branche scientifiche, secondo l’approccio classico, la termodinamica non opera con modelli basati sulla rappresentazione microscopica della struttura della materia in quanto non è in grado di fornire informazioni sulle proprietà della materia stessa. Si fonda dunque su un approccio macroscopico e introduce regole comportamentali per le sostanze coinvolte. Per un motore si parla proprio di conversione di energia, da termica a meccanica, lungo quattro trasformazioni che individuano una linea chiusa.

Cenni storici

Le origini della materia risalgono all’epoca in cui l’evoluzione dei motori termici (XIX secolo) impose lo studio dei precetti con cui avviene la trasformazione del calore in lavoro: fu Sadi Carnot nel 1824 il primo a dimostrare che si può ottenere lavoro dallo scambio di calore tra due sorgenti a temperature differenti e, grazie ad un ciclo ideale da egli stesso teorizzato, quantificò questo lavoro e introdusse il concetto di rendimento termodinamico. Nel 1848 Lord Kelvin definì la “temperatura termodinamica effettiva” come la temperatura misurata da una scala in cui lo zero corrisponde allo zero assoluto; a lui si deve un enunciato del Secondo Principio della termodinamica, che insieme al Primo Principio costituisce il postulato più significativo della materia. Nel 1850 James Precott Joule dimostrò l’uguaglianza tra calore e lavoro e si pose il problema che, se fosse stato possibile ottenere calore dal lavoro in modo totale, non sarebbe stato possibile ottenere l’inverso: a questo risultato approdò anche Clausius che 5 anni più tardi introdusse la sua “disuguaglianza” per riconoscere i processi reversibili da quelli non reversibili. Nel 1876, invece, Willard Gibbs pubblicò il trattato intitolato “Sull’equilibrio delle sostanze eterogenee” in cui dimostrò come una trasformazione potesse essere rappresentata graficamente e come si potesse prevedere la spontaneità del processo considerato.

Sistema e Principi

Convenzioni di segno per calore e lavoro

In termodinamica ha particolare importanza il concetto di sistema: un sistema termodinamico è una porzione di spazio, separata dal resto dell’universo (cioè dall’ambiente esterno) mediante una superficie di controllo, in cui avvengono processi che permettono trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno. Si distinguono sistemi aperti, che scambiano massa ed energia con l’ambiente, sistemi chiusi, la cui superficie di controllo è impermeabile e non attraversata da flussi di materia, e sistemi isolati, che idealmente non interagiscono con l’ambiente esterno.  

Come precedentemente accennato, poi, la termodinamica evolve e si sviluppa a partire da importanti postulati noti come Primo, Secondo e Terzo Principio; una quarta legge, conosciuta come “Principio zero della Termodinamica” è invece implicito nei precedenti:

·        Principio zero: “due sistemi in equilibrio termico con un terzo sono in equilibrio tra loro”. Il suffisso zero è dovuto al fatto che venne formulato  in tempi successivi al primo e secondo principio.

·        Primo principio: rappresenta  la conservazione dell’ energia e stabilisce l’uguaglianza tra calore e lavoro (ΔU = Q – L); FORMULA

·        Secondo principio: esistono diversi enunciati, tutti equivalenti; “è impossibile realizzare una trasformazione il cui risultato sia solamente quello di convertire in lavoro meccanico il calore prelevato da un'unica sorgente” (Kelvin); FORMULA

·        Terzo principio: legato al precedente, recita: “è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di trasformazioni”. FORMULA

Il caso della termodinamica è emblematico nella storia della scienza; si tratta infatti di uno di quei casi in cui la pratica ha precorso la teoria stessa: il metodo termodinamico oltrepassa i limiti della sola tecnica delle trasformazioni calore-lavoro, trovando applicazione in svariati ambiti scientifici. Se interessati ad approfondire aspetti legati al contesto dell'energia è consigliato visitare il seguente link:     www.museoenergia.it

Fonti:

https://www.castfvg.it/articoli/fisica/principi_termodinamica.pdf <ultimo accesso: 13/01/2022>

(Treccani):https://www.treccani.it/enciclopedia/termodinamica <ultimo accesso: 13/01/2022>

(2019 C.L.U.T. Editrice) Lezioni di Termodinamica Applicata e Trasmissione del Calore-Terza Edizione; Valter Giaretto