L’energia termica e il lavoro

L’ENERGIA TERMICA E IL LAVORO

Sappiamo che il calore è energia termica che si trasferisce tra due corpi a temperatura diversa. Quella termica, inoltre, è la forma di energia nella quale le altre forme di energia tendono a trasformarsi. Abbiamo visto, per esempio, che l’energia cinetica persa per attrito durante un moto si trasforma in calore, come accade ai freni di un’auto o di una moto che si surriscaldano dopo una brusca frenata: la riduzione di energia cinetica (velocità) comporta produzione di energia termica.
Se oltre all’energia meccanica consideriamo anche quella termica, possiamo recuperare il principio di conservazione dell’energia meccanica e ampliarlo ottenendo una legge che vale per l’energia in generale, ed è una delle leggi fondamentali della scienza. Si tratta del principio di conservazione dell’energia, secondo il quale l’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma.
Poiché la parte della fisica che studia le trasformazioni di calore in lavoro, e viceversa, è detta termodinamica, questo principio è noto anche come primo principio della termodinamica.
Il calore, però, non è una forma di energia come le altre: mentre energia potenziale e cinetica si convertono completamente l’una nell’altra in continuazione, in natura l’energia termica non si trasforma mai in un’altra forma di energia. Una volta trasformata in calore, l’energia, anche se è sempre presente, è diventata “inutilizzabile” e non può più fare muovere un corpo. L’uomo, tuttavia, ha fabbricato dei dispositivi in grado di convertire l’energia termica in energia meccanica, cioè di trasformare il calore in lavoro.

LE MACCHINE TERMICHE

Il progresso scientifico e tecnologico ha infatti consentito al genere umano di inventare particolari strumenti che riescono a produrre lavoro a partire dal calore: sono definiti macchine termiche e permettono di trasformare l’energia termica in energia meccanica.
L’introduzione delle macchine termiche risale agli inizi del XVIII secolo, quando l’invenzione della macchina a vapore diede inizio alla Rivoluzione Industriale.
La prima macchina a vapore, costruita in un centinaio di esemplari dal fabbro e inventore inglese Thomas Newcomen, serviva ad azionare una pompa per aspirare acqua dalle miniere di carbone: il vapore prodotto da una caldaia muoveva un pistone al quale era collegata la pompa. Questa macchina, perfezionata in seguito da Thomas Watt, ebbe applicazioni di grandissimo successo, la più nota delle quali è la locomotiva a vapore. In seguito si sono aggiunte la turbina a vapore e il motore a scoppio.

Le macchine termiche non sono in grado di trasformare in energia meccanica, cioè in lavoro, tutta l’energia termica. Qualunque sia la loro efficienza, una parte dell’energia resta sempre sotto forma di calore e non può essere utilizzata.
Il secondo principio della termodinamica afferma che non è possibile trasformare completamente l’energia termica in energia meccanica, e che una parte di essa viene sempre dispersa sotto forma di calore. Questo significa che c’è una “parte” dell’energia termica a cui non si riesce mai a far produrre lavoro: tale fenomeno viene definito degrado energetico.

    SCIENZE +     Una macchina efficiente

La quantità di calore che una macchina termica riesce a trasformare in energia meccanica si chiama rendimento, o efficienza. Il rendimento di solito si esprime in percentuale: se un motore ha un rendimento del 70% significa che su 100 J di energia il 70% è trasformato in lavoro, mentre il 30% si disperde sotto forma di calore. Nessuna macchina ha un rendimento del 100%. La macchina termica perfetta, insomma, non esiste.

Macchine termiche

Locomotiva a vapore

Nella locomotiva a vapore l’acqua, riscaldata in una caldaia, produce vapore che arriva ai cilindri passando alternativamente da due aperture. In questo modo spinge il pistone avanti e indietro. Il moto rettilineo del pistone viene trasformato nel moto rotatorio della ruota attraverso un’asta e una biella collegate da giunti snodati. L’energia chimica del combustibile, il carbone, che bruciando riscalda l’acqua, si trasforma in energia termica e poi in energia cinetica, con dispersione di calore.

Turbina a vapore

Nella turbina a vapore un getto di vapore ad alta pressione e ad alta temperatura entra nel distributore di vapore e, passando attraverso gli ugelli, imprime movimento rotatorio a una serie di pale, un po’ come succede nei mulini a vento. Le turbine a vapore sono impiegate per produrre energia elettrica o in grandi impianti industriali, oppure come motori di navi.

Motore a scoppio

Anche nel motore a scoppio l’energia termica del combustibile, in questo caso benzina, si trasforma in energia di movimento dei pistoni, trasmessa poi alle ruote. Il motore delle automobili (e di molte moto) è chiamato a 4 tempi perché la combustione avviene, appunto, in 4 tempi. Durante l’aspirazione (1) una miscela di benzina e aria entra nei cilindri muovendo il pistone. 

Nella fase di compressione (2) il pistone torna indietro e comprime la miscela che si riscalda fino a 700-800°C. 

Nell’espansione successiva (3) la candela fa scoccare una scintilla, e la miscela compressa esplode, producendo gas ad alta temperatura. Infine, durante lo scarico (4) il pistone, spinto dai gas, torna indietro, si apre la valvola di scarico e i gas escono.