Processi isotermici e adiabatici
Poiché i motori termici possono passare attraverso una sequenza complessa di passaggi, un modello semplificato viene spesso utilizzato per illustrare i principi della termodinamica. In particolare, si consideri un gas che si espande e si contrae all’interno di un cilindro con un pistone mobile in una serie di condizioni prescritte. Esistono due serie di condizioni particolarmente importanti. Una condizione, nota come espansione isotermica, consiste nel mantenere il gas a una temperatura costante. Poiché il gas agisce contro la forza di contenimento del pistone, deve assorbire calore per risparmiare energia. Altrimenti, si raffredderà mentre si espande (o al contrario si riscalda quando viene compresso). Questo è un esempio di un processo in cui il calore assorbito viene convertito interamente in lavoro con un’efficienza del 100%. Il processo non viola le limitazioni fondamentali sull’efficienza, tuttavia, perché una singola espansione di per sé non è un processo ciclico.
La seconda condizione, nota come espansione adiabatica (dal greco adiabatos, che significa “impraticabile”), è quello in cui si presume che la bombola sia perfettamente isolata in modo che nessun calore possa entrare o uscire dalla bombola. In questo caso il gas si raffredda mentre si espande, perché, per la prima legge, il lavoro svolto contro la forza di trattenimento sul il pistone può provenire solo dall’energia interna del gas. Pertanto, la variazione dell’energia interna del gas deve essere ΔU = −W, come si manifesta con una diminuzione della sua temperatura. Il gas si raffredda, anche se Anche se non c’è flusso di calore, perché funziona a scapito della propria energia interna. La quantità esatta di raffreddamento può essere calcolata dalla capacità termica del gas.
Molti fenomeni naturali sono effettivamente adiabatici perché non c’è tempo sufficiente perché si verifichi un flusso di calore significativo. Ad esempio, quando l’aria calda sale nell’atmosfera, si espande e si raffredda al diminuire della pressione con l’altitudine, ma l’aria è un buon isolante termico e quindi non c’è un flusso di calore significativo dall’aria circostante. In questo caso l’aria circostante svolge i ruoli sia delle pareti isolate del cilindro che del pistone mobile. L’aria calda funziona contro la pressione fornita dall’aria circostante mentre si espande e quindi la sua temperatura deve scendere. Un’analisi più dettagliata di questa espansione adiabatica spiega la maggior parte della diminuzione della temperatura con l’altitudine, tenendo conto del fatto noto che è più freddo in cima a una montagna che alla sua base.