Una macchina termica è un dispositivo ciclico che assorbe calore da una sorgente calda, trasforma una parte di quell’energia in lavoro termodinamico utile e cede il calore residuo a una sorgente fredda. Motori a combustione interna, turbine a vapore, turbine a gas e impianti termoelettrici sono esempi ingegneristici di macchine termiche.
Indicando con Q_H il calore assorbito dalla sorgente calda e con Q_C il calore ceduto alla sorgente fredda, entrambi presi come valori positivi, il lavoro netto per ciclo è:
Il rendimento termico è:
Ruolo del secondo principio
Il secondo principio della termodinamica impedisce a una macchina ciclica di convertire integralmente in lavoro tutto il calore assorbito da una sola sorgente. Una parte dell’energia deve essere ceduta a una sorgente più fredda, oppure il ciclo non può chiudersi rispettando l’aumento complessivo di entropia.
Il limite ideale tra due sorgenti a temperatura assoluta T_H e T_C è il rendimento di Carnot:
Questo limite non dipende dal fluido di lavoro né dai dettagli costruttivi, ma solo dalle temperature delle sorgenti. Nessuna macchina reale che operi tra le stesse due temperature può superarlo.
Ciclo, fluido di lavoro e irreversibilità
Una macchina termica opera tramite un ciclo: alla fine di ogni ciclo il fluido di lavoro torna allo stato iniziale, quindi la variazione di energia interna complessiva del fluido è nulla. Il bilancio energetico sul ciclo diventa perciò un confronto tra calori scambiati e lavoro netto prodotto.
Le macchine reali hanno rendimento inferiore a quello ideale a causa di attriti, scambi termici a differenza finita di temperatura, perdite fluidodinamiche, combustione non ideale, dissipazione viscosa, cadute di pressione, trasferimenti di calore indesiderati e vincoli sui materiali. Anche quando il ciclo termodinamico teorico è noto, la realizzazione meccanica introduce irreversibilità.
Macchine inverse
La stessa architettura concettuale può essere invertita. Frigoriferi e pompe di calore assorbono lavoro esterno per trasferire calore da una sorgente fredda a una sorgente calda. In quel caso non si usa di solito il rendimento \eta, ma il coefficiente di prestazione:
Un errore comune è interpretare \eta<1 come una semplice imperfezione tecnologica eliminabile. Per una macchina termica ciclica, il fatto che il rendimento non possa raggiungere 1 è un vincolo fisico imposto dal secondo principio, non soltanto un limite dei materiali o della progettazione.
Vedi anche: Secondo principio della termodinamica, Ciclo di Carnot, Rendimento, Entropia.