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.
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La temperatura termodinamica assoluta è una grandezza fisica fondamentale, misurata in Kelvin (K), che non dipende dalle proprietà di alcun materiale specifico
Definizione originale
La scala Kelvin è stata originariamente definita in base al comportamento dei gas perfetti, ma questa definizione presentava limitazioni, specialmente a temperature molto basse
Definizione moderna
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
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
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)
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%
Il secondo principio della termodinamica afferma che in un sistema isolato, i processi naturali tendono a portare a un aumento dell'entropia, una misura del disordine o della distribuzione casuale di energia all'interno di un sistema
Per corpi solidi e liquidi
Per i corpi solidi e liquidi, l'entropia può essere approssimata considerando il calore specifico e la variazione di temperatura
Per gas perfetti
Per i gas perfetti, l'entropia dipende dalla temperatura e dal volume, e può essere calcolata utilizzando l'equazione di stato dei gas perfetti
Per sistemi complessi
Nei sistemi più complessi, come i gas reali o i sistemi con interazioni significative tra le particelle, si devono considerare fattori aggiuntivi come le forze intermolecolari
In condizioni non equilibrate
In condizioni non equilibrate, come nel caso di una sbarretta solida che subisce una distribuzione di temperatura lungo la sua lunghezza, l'entropia può essere calcolata integrando il flusso di calore e le variazioni di temperatura lungo la sbarretta
L'entropia è una funzione di stato che descrive il disordine o la casualità di un sistema termodinamico ed è correlata ad altri parametri di stato come la pressione, il volume e la temperatura
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Unità di misura della temperatura termodinamica assoluta
Misurata in Kelvin (K), scala indipendente dalle proprietà dei materiali.
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Limitazioni della definizione originale della scala Kelvin
Basata su gas perfetti, inadeguata a temperature molto basse dove i gas non sono ideali.
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Definizione moderna di temperatura
Basata su meccanica statistica e termodinamica, lega temperatura a entropia e calore in processi reversibili.
