Cicli termodinamici reali: dai motori alle centrali

I motori e gli impianti che usiamo davvero non seguono il ciclo ideale di Carnot, troppo lento e impraticabile, ma cicli termodinamici reali progettati per essere realizzabili in macchine concrete. Ogni tipo di motore — a benzina, diesel, a vapore, a turbina — corrisponde a un ciclo caratteristico, che ne descrive le fasi e ne determina il rendimento. Capirli significa capire come funziona gran parte della tecnologia energetica.

Vediamo perché non si usa il ciclo di Carnot, quali sono i principali cicli reali, come li si rappresenta e perché il loro rendimento resta sempre sotto il limite di Carnot.

Perché non si usa il ciclo di Carnot

Il ciclo di Carnot ha il rendimento massimo possibile, ma è impraticabile: richiede trasformazioni reversibili, quindi infinitamente lente, e scambi di calore a temperatura rigorosamente costante, difficili da realizzare. Una macchina di Carnot produrrebbe pochissima potenza. Per questo le macchine reali adottano cicli diversi, che sacrificano un po’ di rendimento teorico in cambio della possibilità di funzionare a velocità utile e con potenze adeguate.

I cicli dei motori a combustione

I motori delle automobili seguono due cicli classici. Il ciclo associato ai motori a benzina prevede che il calore venga fornito molto rapidamente, a volume quasi costante, dopo la compressione della miscela. Il ciclo associato ai motori diesel prevede invece che il calore venga fornito a pressione pressoché costante, con l’accensione provocata dalla forte compressione dell’aria anziché da una scintilla. Le differenze nel modo in cui si fornisce il calore si riflettono nel rendimento e nelle caratteristiche dei due tipi di motore.

ciclo reale → rappresentato su diagrammi pressione-volume e temperatura-entropia  rendimento sempre < rendimento di Carnot

I cicli delle centrali e delle turbine

Per la produzione di energia su grande scala si usano altri cicli. Le centrali termoelettriche a vapore seguono un ciclo basato sull’evaporazione e sulla condensazione dell’acqua, che sfrutta il cambiamento di fase per scambiare grandi quantità di calore. Le turbine a gas e i motori a reazione seguono invece un ciclo in cui un gas viene compresso, riscaldato e fatto espandere in continuo. Ogni ciclo è ottimizzato per il proprio impiego, dalla generazione elettrica alla propulsione.

Come si rappresentano

I cicli si studiano disegnandoli su diagrammi, in particolare quello pressione-volume e quello temperatura-entropia. Su questi grafici ogni ciclo appare come un’area chiusa: l’area racchiusa rappresenta il lavoro netto prodotto in un ciclo. Confrontare le forme dei diagrammi permette di capire a colpo d’occhio le differenze tra i vari motori e di individuare dove si può migliorare il rendimento riducendo le perdite.

Sempre sotto il limite di Carnot

Per quanto ben progettato, nessun ciclo reale può raggiungere il rendimento di Carnot, perché le sue trasformazioni non sono reversibili: attriti, scambi di calore rapidi e turbolenze introducono perdite. Il rendimento effettivo è quindi sempre inferiore a quello ideale calcolato tra le stesse temperature. Il confronto con il limite di Carnot resta comunque la bussola per valutare quanto un motore o un impianto sia vicino al meglio teoricamente possibile.

Quadro d’insieme

I cicli termodinamici reali sono le successioni di trasformazioni che le macchine concrete adottano per essere praticabili: i cicli a benzina e diesel per i motori, i cicli a vapore e a gas per centrali e turbine. Si studiano su diagrammi in cui l’area è il lavoro prodotto, e il loro rendimento resta sempre inferiore a quello ideale di Carnot.

Domande frequenti

Perché le macchine reali non usano il ciclo di Carnot?

Perché il ciclo di Carnot, pur avendo il rendimento massimo possibile, è impraticabile: richiede trasformazioni reversibili e quindi infinitamente lente, e scambi di calore a temperatura rigorosamente costante. Una macchina di Carnot produrrebbe pochissima potenza. Le macchine reali adottano perciò cicli diversi, che rinunciano a una parte del rendimento teorico in cambio della possibilità di funzionare a velocità utile e con potenze adeguate alle applicazioni concrete.

Quali sono i principali cicli reali?

I più importanti sono i cicli dei motori a combustione interna, associati ai motori a benzina e a quelli diesel, e i cicli per la produzione di energia, come il ciclo a vapore delle centrali termoelettriche e il ciclo delle turbine a gas e dei motori a reazione. Ogni ciclo descrive una particolare successione di trasformazioni, ottimizzata per il suo impiego specifico, dalla propulsione dei veicoli alla generazione di elettricità su grande scala.

Qual è la differenza tra il ciclo a benzina e quello diesel?

Sta soprattutto nel modo in cui viene fornito il calore. Nel ciclo associato ai motori a benzina il calore è fornito molto rapidamente, a volume quasi costante, dopo la compressione della miscela e grazie a una scintilla. Nel ciclo diesel il calore è fornito a pressione pressoché costante, e l’accensione è provocata dalla forte compressione dell’aria invece che da una scintilla. Queste differenze si riflettono nel rendimento e nelle caratteristiche dei due motori.

Come si rappresentano i cicli termodinamici?

Si rappresentano su diagrammi, in particolare il diagramma pressione-volume e quello temperatura-entropia. Su questi grafici ogni ciclo appare come un’area chiusa, e l’area racchiusa corrisponde al lavoro netto prodotto in un ciclo. Confrontare le forme dei diagrammi dei diversi cicli permette di coglierne a colpo d’occhio le differenze e di individuare i punti in cui si possono ridurre le perdite per migliorare il rendimento della macchina.

Un ciclo reale può raggiungere il rendimento di Carnot?

No. Nessun ciclo reale può raggiungere il rendimento di Carnot, perché le sue trasformazioni non sono reversibili: attriti, scambi di calore troppo rapidi e turbolenze introducono perdite inevitabili. Il rendimento effettivo è quindi sempre inferiore a quello ideale calcolato tra le stesse temperature. Il confronto con il limite di Carnot resta tuttavia il riferimento per valutare quanto una macchina reale si avvicini al massimo teoricamente possibile.