Energia, calore e lavoro: spiegazione

ENERGIA, CALORE E LAVORO

Con il termine di energia si intende indicare la capacità di compiere lavoro. Si compie lavoro ogni volta che applicando una forza si genera uno spostamento. Quando l’energia è racchiusa in un corpo o in un sistema si identifica con la possibilità di compiere lavoro viene perciò chiamata energia potenziale. L’energia cinetica è l’energia di una massa in moto cioè energia di transizione, ed è compresa nel vasto settore dell’energia meccanica.

• Lavoro – Il lavoro è energia meccanica di transizione. Quando un sistema è sottoposto a lavoro, in esso rimane solo il risultato del lavoro che può manifestarsi sotto un’altra forma di energia, ad esempio energia termica o energia allo stato potenziale.
  Nel sistema internazionale viene misurato in newton per metro essendo il newton la forza necessaria per imprimere ad un corpo avente la massa di 1 chilo l’accelerazione di 1 metro/secondo (quadrato).
• Potenza -  è il lavoro compiuto nell’unità di tempo che viene misurata in watt e corrisponde al lavoro di 1 joule in 1 secondo.
• Calore -  Il calore è energia termica in transizione attraverso le superfici che limitano un sistema. Affinché avvenga il trasferimento di calore deve esistere la differenza di temperatura fra il sistema considerato e quelli adiacenti.
  Il calore si misura in joule corrispondente alla quantità di calore necessaria per riscaldare 1 litro di acqua da 14,5°C a 15,5°C.

1Kcal=4186,8J

PRINCIPIO DELL'EQUIVALENZA O PRIMA LEGGE DELLA TERMODINAMICA

La prima legge della termodinamica è il compendio di diversi rilievi sperimentali che hanno condotto Mayer ad enunciarlo in modo seguente: Il calore è trasferibile in lavoro e viceversa secondo un rapporto costante. In altre parole, le due forme di energia, termica e meccanica non possono essere né distrutte ne create ma solamente convertite l’una nell’altra.  Ciò significa che quando viene prodotta energia meccanica per mezzo di calore viene spesa una certa quantità di calore per ogni unità di lavoro prodotta e viceversa.

Q/L = A

A= equivalente termico del lavoro il quale viene ricavato sperimentalmente ed è 1/7 427 (Kcal/7Kgm)

LAVORO, ENERGIA E CALORE: FORMULE

Dalla prima legge della termodinamica si deduce che, affinché nel cilindro di un motore il fluido attivo si espanda e, spingendo lo stantuffo produca lavoro meccanico deve essere spesa una certa quantità di calore. Questa viene fornica dal combustibile bruciato e l’energia corrispondente viene trasformata in lavoro meccanico dal fluido. Lo stato termodinamico di un fluido o di un sistema qualsiasi è definito dalle sue condizioni di pressione, temperatura, volume, entalpia, energia interna ed entropia, e cioè dai valori di quelle che vengono chiamate grandezze caratteristiche del fluido.

La pressione la temperatura ed il volume servono a definire ogni stato del fluido. Nonostante siano sei le grandezze in grado di definire lo stato di un fluido, in genere è sufficiente stabilire il valore di due di esse scelte in modo appropriato.

Si dice che una trasformazione è reversibile quando una volta completata può essere esattamente riprodotta in senso inverso in modo che il fluido torni allo stato iniziale passando per l’identica successione di stati.

Una trasformazione si dice invece irreversibile se l’energia fornita al fluido quando la trasformazione avviene in un senso non può più essere completamente restituita nel senso inverso.

Q1 e Q2: Calore o energia termica 

L1 e L2: Lavoro, energia meccanica. Lavoro eseguito dal sistema porta segno positivo mentre quello assorbito porta segno negativo.

Ec: Energia cinetica posseduta dal fluido in virtù della sua velocità.

pv: Energia meccanica dovuta al fatto che il flusso avviene con moto permanente. Infatti in ogni sezione trasversale del sistema uno stato elementare del fluido in moto è spinto dallo strato elementare che lo segue con una forza uguale alla pressione specifica (p) moltiplicata per l’area (s) della sezione. Ovvero in termini finiti L = p v dunque il prodotto della pressione specifica per il volume specifico è un lavoro cioè energia meccanica.

U: Energia interna immagazzinata nel fluido. Questa dipende da temperatura e volume, in funzione della temperatura infatti le molecole che compongono il fluido si muovono più velocemente ed hanno una energia cinetica maggiore, mentre una quantità di fluido che possieda un volume maggiore subisce una variazione della distanza delle molecole.

I GAS PERFETTI

Sono considerati gas perfetti quei gas ideali per i quali sono valide le leggi di Boyle e Mariotte e di Gay-Lussac riassunte nella relazione fra pressione volume temperatura chiamata equazione di elasticità:

p v  = R T

nella quale “p” è la pressione “v” è il volume specifico “R” una costante e “T” la temperatura assoluta espressa in gradi Calvin. Il valore “R” è calcolato in relazione alla legge di Avogadro che recita: uguali volumi di gas a parità di temperatura e di pressione contengono lo stesso numero di molecole.

RELAZIONE DEI GAS PERFETTI

Per un gas perfetto l’energia interna è direttamente proporzionale alla sua temperatura. Così in coordinate p-v a temperatura costante sono anche linee ad energia interna U costante inoltre la variazione di energia interna fra due stati qualsiasi è la stessa qualunque sia la trasformazione di conseguenza l’energia interna è una funzione  i cui valori dipendono dallo stato dei gas.

Q = U2 - U1 + L1 - L2

TRASFORMAZIONE DEI GAS PERFETTI

Le trasformazioni che interessano maggiormente lo studio dei motori alternativi sono:

• A volume costante (isometriche)
• A pressione costante (isobare)
• Ad entropia costante (adiabatiche)

Queste trasformazioni si verificano senza flusso cioè quando la corrente del flusso si interrompe durante i cicli termici.

• Trasformazione a volume costante
• Trasformazione a pressione costante
• Trasformazione adiabatica.

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