Che cos'è il ciclo di Carnot? Trasformazioni cicliche, trasformazione isoterma ed adiabatica nel piano di Clapeyron

In questa lezione studiamo il ciclo di Carnot. Ma cos’è il ciclo di Carnot? Parleremo in questa lezione di trasformazioni cicliche e rivedremo anche il concetto di rendimento. In questo capitolo denominato “termodinamica” troverete anche lezioni relative alle leggi dei gas, primo principio della termodinamica, secondo principio della termodinamica, macchine termiche, equazione di stato dei gas perfetti, teoria cinetica dei gas.

trasformazione ciclica

Innanzitutto, prima di parlare del ciclo di Carnot dedichiamoci a capire che cos’è una trasformazione ciclica. Questa è un tipo di trasformazione che nasce dalla combinazione di più trasformazioni. La particolarità sta nel fatto che il gas si trova in uno stato iniziale con una determinata pressione e con un determinato volume e dopo questo numero finito di trasformazioni arriva ad uno stato finale che coincide con quello iniziale! In particolare il ciclo di Carnot è formato da quattro trasformazioni accoppiate: due isoterma e due adiabatiche. Allora vediamo un po’ più in dettaglio che cos’è una trasformazione isoterma e che cos’è una trasformazione adiabatica

trasformazione isoterma

Questo particolare tipo di trasformazione avviene quando il gas varia pressione e volume ma la temperatura rimane costante: questo tipo di trasformazione è regolata dalla cosiddetta legge di Boyle che dice che la pressione e il volume sono inversamente proporzionali ovvero il loro prodotto sarà sempre costante. A proposito di questo tipo di trasformazione vi consiglio di riguardare il paragrafo dedicato alle trasformazioni dei gas

trasformazione adiabatica

Questo particolare tipo di trasformazione invece avviene in un tempo molto piccolo, un intervallo di tempo brevissimo nel quale tutte e tre le grandezze fisiche macroscopiche caratteristiche dei gas (pressione, volume, temperatura) variano!

ciclo di Carnot

Ed eccoci pronti per poter definire che cos’è il ciclo di Carnot: questo è una trasformazione ciclica formata da quattro trasformazioni: si parte con un’espansione isoterma per poi proseguire con un’espansione adiabatica per poi passare ad una compressione isoterma ed infine, attraverso una compressione adiabatica si torna al punto iniziale, esattamente come avevamo detto prima! Dunque il ciclo di Carnot, probabilmente starete intuendo, viene realizzato utilizzando una macchina termica che lavora tra due sorgenti, una calda e una fredda. Questa particolare macchina viene chiamata macchina di Carnot. A proposito, consiglio magari di rivedere la lezione dedicata alle macchine termiche

macchina di Carnot

In particolare la macchina termica detta macchina di Carnot funziona in questa maniera: il gas assorbe calore durante la espansione isoterma dalla sorgente a temperatura più alta; subito dopo cede parte del calore (quel calore che non viene utilizzato!) durante l’altra isoterma alla sorgente a temperatura più bassa

rendimento del ciclo di Carnot

Esattamente come abbiamo fatto nel paragrafo delle macchine termiche anche in questo caso possiamo definire il rendimento della macchina di Carnot che risulta uguale al rapporto tra il lavoro che la macchina fa e il calore assorbito.

Possiamo calcolare il rendimento anche come l’unità alla quale sottraiamo il rapporto tra la temperatura più bassa e la temperatura più alta ovviamente la temperatura è riferita alle due sorgenti