Il ciclo di Carnot: il rendimento più alto possibile
Sadi Carnot nel 1824 immaginò una macchina ideale che scambia calore solo con due sorgenti, una calda e una fredda. Il gas si espande a contatto con la sorgente calda, poi isolato; si comprime a contatto con la fredda, poi isolato. Nessuna macchina che lavori fra le stesse temperature può avere un rendimento maggiore.
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Q₂ / Q₁ = T₂ / T₁
Il ciclo ha quattro tratti: un’isoterma alla temperatura T₁, in cui il gas assorbe Q₁ dalla sorgente calda; un’adiabatica in cui si raffredda fino a T₂; un’isoterma a T₂ in cui cede Q₂ alla sorgente fredda; un’adiabatica che lo riporta a T₁.
Per il gas perfetto si trova Q₂ / Q₁ = T₂ / T₁, quindi il rendimento è η = 1 − T₂ / T₁, con le temperature in kelvin. Non dipende dal gas né dalla macchina: solo dalle due temperature. Per avere η = 1 servirebbe T₂ = 0 K, che non si può raggiungere.
Il teorema di Carnot dice che nessuna macchina reale, fra le stesse temperature, fa meglio. Una centrale a vapore fra 800 K e 300 K non può superare il 62 %; in pratica arriva al 40 % circa. Il ciclo di Carnot è anche reversibile: percorso al contrario diventa un frigorifero.
L’animazione mostra, la spiegazione fa capire
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