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Termodinamica e temperatura

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La temperatura termodinamica assoluta e l'entropia sono concetti chiave nella comprensione dei processi fisici e del rendimento dei motori termici. La scala Kelvin, indipendente dalle proprietà dei materiali, permette di misurare la temperatura in termini di entropia e calore in processi reversibili. Il rendimento di Carnot, influenzato dalla differenza di temperature, e il calcolo dell'entropia in vari sistemi sono essenziali per l'efficienza energetica.

Definizione e Misurazione della Temperatura Termodinamica Assoluta

La temperatura termodinamica assoluta è una grandezza fisica fondamentale, misurata in Kelvin (K), che non dipende dalle proprietà di alcun materiale specifico. La scala Kelvin è stata originariamente definita in base al comportamento dei gas perfetti, ma questa definizione presentava limitazioni, specialmente a temperature molto basse, dove i gas non si comportano in modo ideale. La definizione moderna di temperatura si basa sulla meccanica statistica e sulla termodinamica del secondo principio, che permette di definire la temperatura in termini di entropia e calore scambiato in un processo reversibile. Questo approccio estende la validità della scala Kelvin anche a condizioni estreme, dove i gas perfetti non esistono. La misurazione della temperatura a livelli molto bassi è tecnicamente complessa, ma con tecniche avanzate come la risonanza magnetica nucleare e il rumore Johnson, i fisici sono riusciti a raggiungere temperature inferiori al millesimo di grado Kelvin in laboratorio.
Termometro a mercurio che indica la temperatura ambiente con sfondo sfocato di una locomotiva a vapore d'epoca in un ambiente che sembra un laboratorio o museo.

Rendimento dei Motori Termici e l'Impatto delle Temperature

Il rendimento di un motore termico è strettamente legato alla differenza di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda, secondo il secondo principio della termodinamica. Il rendimento teorico massimo, detto rendimento di Carnot, è dato dalla differenza tra la temperatura della sorgente calda e quella fredda, divisa per la temperatura della sorgente calda, espressa in scala assoluta (Kelvin). Ad esempio, un motore ideale che opera con una sorgente calda a 373 K (100 ℃) e una sorgente fredda a 273 K (0 ℃) avrebbe un rendimento massimo teorico di circa il 27%. I motori a combustione interna, come quelli delle automobili, hanno rendimenti pratici molto inferiori a causa delle perdite termiche, meccaniche e di altro tipo, con valori tipici intorno al 25-30%. I motori a turbina, che utilizzano combustione esterna, possono raggiungere rendimenti leggermente superiori, ma sono comunque limitati dalla temperatura massima sostenibile dai materiali. Migliorare il rendimento dei motori termici è una sfida ingegneristica che richiede innovazioni sia nei materiali che nelle tecnologie.

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00

Unità di misura della temperatura termodinamica assoluta

Misurata in Kelvin (K), scala indipendente dalle proprietà dei materiali.

01

Limitazioni della definizione originale della scala Kelvin

Basata su gas perfetti, inadeguata a temperature molto basse dove i gas non sono ideali.

02

Definizione moderna di temperatura

Basata su meccanica statistica e termodinamica, lega temperatura a entropia e calore in processi reversibili.

Q&A

Ecco un elenco delle domande più frequenti su questo argomento

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