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il secondo principio della termodinamica
Il 1° principio della termodinamica ebbe origine dall’ impossibilita’ di costruire una macchina capace di creare energia dal nulla. Tuttavia, tale principio non pone alcuna restrizione alla trasformazione di energia da una forma all’altra. Naturalmente, e’ sempre possibile trasformare lavoro in calore (riscaldamento per attrito, passaggio di una corrente elettrica in una resistenza,ecc). Vi sono pero’ in natura delle limitazioni ben precise alla trasformazione di calore in lavoro; in caso contrario, sarebbe possibile prelevare energia interna dal mare, abbassando la sua temperatura e trasformando il calore in lavoro. Siccome l’energia interna dei mari e’ praticamente illimitata, si potrebbe procedere all’infinito a convertire calore in lavoro. Questo perpetuum mobile di 2° specie e’ impossibile alla luce del secondo principio della termodinamica che enunceremo fra poco in forma più precisa.
Innanzitutto, per sorgente di calore alla temperatura uniforme t, si intende una sorgente capace di scambiare calore ma non lavoro con altri corpi, conservando la sua temperatura. Possiamo –ora- enunciare il celebre 2° principio della termodinamica nella forma data da Lord Kelvin:
Non esiste una trasformazione il cui unico risultato sia una trasformazione in lavoro del calore tratto da un’unica sorgente!
Esempio
Consideriamo un gas perfetto all’interno di un recipiente che viene messo a contatto di una sorgente isoterma a temperatura più alta. Se l’espansione e’ isoterma, si ha:
0=∆U=-L+Q
Da cui si deduce che il calore assorbito dal gas viene completamente trasformato in lavoro compiuto dal gas stesso. Cio’ e’ in contrasto con l’enunciato di lord Kelvin? La risposta e’ no! Non e’ vero che l’unico risultato di questa trasformazione e’ la conversione di calore in lavoro, poiché il volume del gas e’ aumentato!
Un’altra forma equivalente del 2° principio della termodinamica e’ dovuta a Clausius:
Non esiste una trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da da una sorgente isoterma più fredda ad una sorgente isoterma più calda.
CLAUSIUS --> KELVIN
Sia falso il principio di Kelvin, allora esiste una trasformazione il cui unico risultato e’ la conversione di calore -preso da una sorgente ad una temperatura - in lavoro. A questo punto scarichiamo per attrito questo lavoro su una sorgente a temperatura t2>t1. E’ facile dedurre che il risultato netto di questa trasformazione e’ il passaggio di calore dalla sorgente più fredda (t1) alla sorgente più calda (t2); cio’ va chiaramente contro il principio di Clausius.
Più difficile e’ dimostrare il viceversa; dobbiamo prima costruirci degli strumenti opportuni. Quindi assumeremo per valido il principio di Kelvin e fra poco dimostreremo che da esso discende il postulato di Clausius.
Più difficile e’ la dimostrazione dell’implicazione inversa; rimandiamo –quindi- al testo citato di Fermi, oppure ad uno dei siti collegati.
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