2.7 Macchine termiche

Una macchina termica è un dispositivo in grado di trasformare calore in lavoro o viceversa.  Se vogliamo che questa produzione di lavoro non si arresti, dobbiamo far lavorare la macchina termica in un ciclo:  dopo aver prodotto il lavoro, la macchina deve tornare al punto di partenza in modo da poter ricominciare, in un ciclo senza fine, almeno finché viene fornito calore dall'esterno.  Quando parleremo di macchine termiche, ci riferiremo sempre a macchine termiche cicliche.

Particolarmente illuminante dal punto di vista teorico è lo studio delle macchine termiche a gas perfetto, perché conosciamo le leggi che regolano pressione volume, temperatura ed energia interna.

Nell'esperimento che andiamo a fare, dell'aria è contenuta in un cilindro chiuso da un pistone collegato ad una camera per lo scambio di calore.  Quest'ultima può essere immersa in un bagno termico freddo o in un bagno termico caldo.

Usando un gas perfetto, possiamo calcolare tutte le energie scambiate:

• Il lavoro in una trasformazione isobara si calcola immediatamente come prodotto tra pressione e variazione di volume.  Abbiamo imparato ad associarlo all'area del rettangolo sotteso alla trasformazione nel piano pV (piano di Clapeyron).

• Per un gas perfetto, l'energia interna dipende dalla sola temperatura, la quale è uguale a pV/(nR).

• Calcolati il lavoro e la variazione di energia interna, attraverso il primo principio, possiamo risalire alla quantità di calore scambiata.