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ANCORA SUL CICLO CARNOT

E' IL CICLO TERMODINAMICO DI RIFERIMENTO,
IL MODELLO IRRAGGIUNGIBILE DI TUTTI I CICLI


CICLO IDEALE

La realizzazione del ciclo di Carnot , almeno per ora, impossibile e perci rappresenta ancora un modello di riferimento, nel senso che esso ha il massimo rendimento fra due temperature prestabilite. Ne segue che , cambiando temperature (aumentando quella massima o diminuendo quella minima) possibile ottenere un rendimento maggiore, ma in condizioni assolutamente diverse.
Nella figura rappresentato nella forma classica un ciclo di Carnot (il rettangolo azzurro) che contiene un ciclo Otto (il quadrilatero rosso): come si vede l'area racchiusa dal ciclo Otto nettamente minore dell'area azzurra, indicando quindi un rendimento inferiore.
Descriviamo brevemente i due cicli:



1) ciclo di Carnot:
trasformazione 1-2: isoterma con acquisto del calore
ACa = S1 - 1 - 2 - S2 (area azzurra + area gialla);
trasformazione 2-3: adiabatica di espansione con produzione di lavoro;
trasformazione 3-4: isoterma con cessione del calore
ACc = S3 - 3 - 4 - S4 (area gialla);
trasformazione 4-1: adiabatica di compressione con spesa di lavoro.
2) ciclo Otto:
trasformazione 1'-2': combustione con acquisto del calore
AOa = S1 - 1' - 2' - S2;
trasformazione 2'-3': adiabatica di espansione con produzione di lavoro;
trasformazione 3'-4': espulsione dei gas con cessione del calore AOc = S3 - 3' - 4' - S4;
trasformazione 4'-1': adiabatica di compressione con spesa di lavoro.


CONFRONTO FRA I DUE CICLI:
calore acquistato ACa > AOa;
calore ceduto ACc < AOc;
calore utile ACu > AOu;
rendimento:

hC = ACu / ACa = (ACa - ACc) / ACa = 1 - ACc / ACa =
= (T1 - T4) (S2 - S1) / (T1 - 0) (S2 - S1) = (T1 - T4) / T1 = 1 - T4 / T1

hO = AOu / AOa = (AOa - AOc) / AOa = 1 - AOc / AOa < hC

Infatti nel ciclo Otto il calore ceduto maggiore e il calore acquistato minore (il numeratore cresciuto e il denominatore diminuito) rispetto al ciclo Carnot.
Come si vede il rendimento del ciclo Carnot dipende soltanto dalle temperature estreme. Negli altri cicli esso dipende invece dal tipo di trasformazione di espansione e di compressione, a seconda che siano capaci di coprire una regione interna al ciclo Carnot maggiore o minore.
Il tutto discende dal fatto che per ora non assolutamente possibile eseguire trasformazioni isoterme (lasciando da parte che neppure le adiabatiche sono perfettamente eseguibili!).

CICLO REALE

Passando al ciclo Otto reale le cose peggiorano e di molto. Infatti con le nostre macchine non possiamo eseguire cicli costituiti da sole quattro fasi (combustione, espansione, scarico naturale, compressione): ne occorrono altre due, che sono la fase di ammissione del combustibile e la fase di espulsione forzata dei gas combusti. Queste ultime due fasi racchiudono un'area negativa, che si somma a quella di scarico naturale che stata chiamata AOc rendendo ancora minore il rendimento.