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Ciclo termodinamico

Che cosa è un ciclo termodinamico?

Si definisce ciclo termodinamico una successione di operazioni che riporta un sistema termodinamico nelle condizioni iniziali; durante queste operazioni si hanno scambi di energia tra il sistema che compie il ciclo e l'esterno (ambiente).

Per caratterizzare un ciclo termodinamico occorre definire il tipo di operazioni che il sistema compie: bisogna quindi conoscere come variano lungo il ciclo le sue proprietà.

Questa descrizione può essere sia per via analitica che per via grafica.

Rappresentazione di un ciclo termodinamico

È noto che quando il sistema in esame è semplice (una porzione di materia omogenea in cui non avvengono reazioni chimiche) per definirne completamente lo stato è sufficiente conoscere due sue proprietà indipendenti, come ad esempio pressione (P) e volume (V) o temperatura (T) ed entropia (s).

In questo caso risulta particolarmente semplice rappresentarne graficamente le condizioni: in un diagramma in cui le coordinate siano le proprietà indipendenti, ogni punto rappresenta uno stato del sistema.

Su questi diagrammi ogni ciclo è rappresentato da una linea chiusa (si veda immagine seguente): al termine del ciclo, qualunque sia stata la successione di stati in cui il sistema si è venuto a trovare, esso deve per definizione trovarsi nello stato iniziale.

I diagrammi pressione-volume e temperatura-entropia sono di particolare utilità, in quanto le aree sottese dalle singole trasformazioni rappresentano rispettivamente il lavoro e il calore scambiati in modo quasi statico con l'esterno.

diagrammi ciclo diesel

Diagramma p-v (a sinistra) e diagramma T-s (a destra) di un ciclo Diesel.

L'area del ciclo termodinamico pertanto rappresenta:

  • in un diagramma pressione-volume il lavoro quasi statico scambiato lungo l'intero ciclo con l'esterno;
  • in un diagramma temperatura-entropia il calore globalmente scambiato in modo quasi statico con l'esterno.

Il primo principio della termodinamica ci assicura che, considerando l'intero ciclo, il lavoro ceduto all'esterno è uguale al calore entrato nel sistema.

Invertendo il senso in cui viene percorso il ciclo, lavoro e calore globalmente scambiati con l'esterno cambiano di segno.

Di seguito alcuni cicli termodinamici:

ciclo di Carnot

ciclo Diesel

ciclo frigorifero

ciclo otto

ciclo Rankine

ciclo Sabathe

ciclo di Stirling

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