Durante una trasformazione il sistema scambia con l’ambiente calore e/o lavoro. Ciò lo conduce da uno determinato stato (pi, Vi, Ti) ad un altro stato (pf, Vf, Tf). È possibile passare dallo stato iniziale a quello finale in due modi diversi cioè mediante tanti stati intermedi di equilibrio o mediante stati intermedi di non equilibrio una trasformazione irreversibile o mediante una trasformazione reversibile.
TRASFORMAZIONI IRREVERSIBILI E TRASFORMAZIONI REVERSIBILI
Consideriamo due corpi a diversa temperatura posti a contatto termico ed inseriti in un contenitore adiabatico. Tra i due corpi, durante la trasformazione c’è sempre una differenza di temperatura fino a quando non raggiungono la stessa temperatura. Perciò gli stati intermedi non sono di equilibrio.
Consideriamo un recipiente adiabatico costituito da due ambienti separati da una valvola, uno con un gas a bassa pressione ed uno con il vuoto. Quando si apre la valvola, il gas si espande perché c’è sempre una diversa pressione tra i due ambienti. L’espansione termina quando i due ambienti raggiungono la stessa pressione. Anche in questo caso, gli stati intermedi non sono di equilibrio.
Consideriamo, invece, un gas in un contenitore con pareti diatermiche (cioè permeabili al calore) in equilibrio termico con una sorgente di calore ad una certa temperatura T. Spostiamo lentamente una parete del contenitore (espansione) in modo che in ogni istante ci sia sempre equilibrio termico con la sorgente e la forza applicata per spostare la parete sia molto poco diversa dalla forza (per unità di superficie) applicata internamente dal gas. In ogni istante c’è quindi sia equilibrio termico che meccanico. In questo caso tutti gli stati intermedi sono stati di equilibrio. Ciò non sarebbe vero se si eseguisse una rapida espansione.
Per avere una trasformazione che passi attraverso stati di equilibrio occorre eseguire delle variazioni molto piccole (infinitesime) delle coordinate termodinamiche ed aspettare che si stabilisca nuovamente un equilibrio.
Una trasformazione è detta reversibile se avviene attraverso stati di equilibrio e se è possibile invertire il verso della trasformazione. Una trasformazione reversibile non comporta alterazioni permanenti cioè è sempre possibile tornare nello stato iniziale (sia il sistema che l’ambiente). Queste trasformazioni sono difficili da realizzare.
Una trasformazione è detta irreversibile se avviene attraverso stati di non equilibrio e/o vi siano forze dissipative. In una trasformazione irreversibile non è più possibile ritornare nello stato iniziale senza modificare l’ambiente; cioè è possibile ritornare nello stato iniziale del sistema ma l’ambiente, a differenza di una trasformazione reversibile, è stato modificato. Tutte le trasformazioni che avvengono in natura (già per il semplice fatto che gli attriti sono ineliminabili) sono irreversibili.
Ma se tutte le trasformazioni che avvengono in natura sono irreversibili, a cosa servono le trasformazioni reversibili? La schematizzazione di un fenomeno reale mediante trasformazioni reversibili ci consente di eseguire dei calcoli ed ottenere delle stime di alcune grandezze fisiche; queste stime rappresentano, in generale, dei limiti superiori.
TEOREMA DI CARNOT
Tutte le macchine reversibili che lavorano tra le stesse sorgenti alle temperature Tc e Tf hanno lo stesso rendimento. Qualsiasi altra macchina, che lavora tra le stesse sorgenti, non può avere un rendimento maggiore.
Se indichiamo con x una macchina termica, se x è irreversibile:
ηx < ηrev
se x è reversibile:
ηx = ηrev
In generale, per una macchina x:
ηx ≤ ηrev
dove
