Il secondo principio della termodinamica stabilisce il verso delle trasformazioni reali e introduce limiti alla conversione di calore in lavoro.
L’enunciato di Kelvin-Planck afferma che è impossibile costruire una macchina ciclica che trasformi integralmente in lavoro il calore prelevato da una sola sorgente. Una macchina termica deve scaricare una parte del calore verso una sorgente più fredda.
L’enunciato di Clausius afferma che è impossibile che il solo risultato di una trasformazione sia trasferire calore da un corpo freddo a uno caldo senza lavoro esterno. Frigoriferi e pompe di calore non violano il principio perché richiedono lavoro.
In forma entropica, per un sistema isolato:
L’uguaglianza vale per trasformazioni reversibili; il maggiore di zero per trasformazioni irreversibili. Il principio spiega perché attrito, mescolamento, conduzione con salto finito di temperatura, espansioni libere e dissipazioni elettriche degradano energia utile.
Per un ciclo termodinamico vale la disuguaglianza di Clausius:
con uguaglianza per cicli reversibili. Questa relazione introduce l’entropia come funzione di stato e permette di distinguere il calore scambiato reversibilmente dal calore scambiato con irreversibilità.
Il rendimento massimo di una macchina termica che opera tra due sorgenti a temperatura assoluta T_H e T_C è quello di Carnot:
Nessuna macchina reale può superarlo; può solo avvicinarlo riducendo attrito, salti termici finiti, perdite fluidodinamiche e dissipazioni. Questo limite non dipende dal fluido di lavoro, ma solo dalle temperature delle sorgenti.
Il secondo principio non contraddice il primo. Il primo principio conserva l’energia; il secondo dice che non tutta l’energia ha la stessa capacità di produrre lavoro utile. Un joule di calore a bassa temperatura e un joule di lavoro meccanico hanno la stessa quantità energetica, ma qualità termodinamica diversa.
Vedi anche: Entropia, Primo principio della termodinamica, Ciclo di Carnot, Disuguaglianza di Clausius, Produzione di entropia.