Secondo Principio della Termodinamica: Clausius e Kelvin-Planck | Valentino Rocco
- 10 ott 2021
- Tempo di lettura: 2 min
Aggiornamento: 15 feb
Il Secondo Principio della Termodinamica introduce un concetto fondamentale assente nel Primo Principio: non tutte le trasformazioni energetiche sono possibili.
Mentre il Primo Principio stabilisce la conservazione dell’energia, il Secondo Principio stabilisce quali processi possono avvenire spontaneamente e quali no, introducendo il concetto di irreversibilità.
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Se invece ti trovi meglio a leggere ecco tutto ciò che devi sapere sul secondo principio della termodinamica.
Secondo Principio della Termodinamica:
Enunciato di Clausius
Secondo Clausius:
«È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo a temperatura minore a un altro a temperatura maggiore.»
In altre parole, il calore non può fluire spontaneamente da un corpo freddo a uno caldo.Per ottenere questo risultato è necessario compiere lavoro esterno.
Un esempio semplice è quello del sale disciolto in acqua: il processo di dissoluzione avviene spontaneamente. Tuttavia, per separare nuovamente il sale dall’acqua è necessario fornire energia al sistema. Il processo inverso non avviene spontaneamente.
Lo stesso principio si osserva nei frigoriferi: il calore viene trasferito dall’interno (più freddo) verso l’esterno (più caldo), ma solo grazie al lavoro fornito dal compressore.
Enunciato di Kelvin-Planck
Secondo l’enunciato di Kelvin-Planck:
«È impossibile realizzare un processo che abbia come unico risultato la trasformazione in lavoro del calore fornito da una sorgente a temperatura uniforme.»
Questo significa che non è possibile costruire una macchina termica che trasformi completamente il calore in lavoro senza altre conseguenze.
Ogni macchina termica deve necessariamente scambiare calore con almeno due sorgenti a temperatura diversa: una calda e una fredda.
Equivalenza dei due enunciati
I due enunciati sono equivalenti. La negazione di uno implica automaticamente la negazione dell’altro.
Se fosse possibile trasformare tutto il calore in lavoro (violando Kelvin-Planck), allora si potrebbe utilizzare quel lavoro per trasferire calore da un corpo freddo a uno caldo senza altre conseguenze (violando Clausius).
Trasformazioni reversibili e irreversibili
Il Secondo Principio introduce anche la distinzione tra trasformazioni reversibili e irreversibili.
Trasformazioni reversibili
Una trasformazione è reversibile se:
non comporta alterazioni permanenti nel sistema e nell’ambiente
è possibile riportare sia il sistema sia l’ambiente allo stato iniziale
Si tratta di processi ideali, estremamente lenti e senza dissipazioni (assenza di attrito, differenze infinitesime di temperatura, ecc.).
Trasformazioni irreversibili
Una trasformazione è irreversibile quando:
avviene spontaneamente
comporta dissipazioni di energia
per riportare il sistema allo stato iniziale è necessario modificare l’intero universo termodinamico
Tutti i processi naturali reali sono irreversibili.
Il concetto di entropia
Il Secondo Principio è strettamente collegato al concetto di entropia, grandezza fisica che misura il grado di disordine o la distribuzione dell’energia in un sistema.
Per un sistema isolato vale la relazione:
ΔS ≥ 0
ΔS = 0 per trasformazioni reversibili
ΔS > 0 per trasformazioni irreversibili
Questo significa che l’entropia dell’universo tende ad aumentare nel tempo.
L’aumento di entropia fornisce una direzione ai processi naturali: è la cosiddetta freccia del tempo termodinamica.
Significato fisico del Secondo Principio
Il Secondo Principio afferma che:
Non tutto il calore può essere trasformato in lavoro.
I processi spontanei hanno una direzione privilegiata.
L’energia tende a distribuirsi in modo sempre più uniforme.
Mentre il Primo Principio stabilisce “quanto” energia si conserva, il Secondo Principio stabilisce “come” essa può trasformarsi.
Buono studio!
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