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Comunemente si intende per lavoro meccanico il lavoro compiuto da masse solide in movimento. In questo caso entrano in gioco solo due forme di energia: a) quella potenziale, derivante dalla posizione in un campo gravitazionale, e b) quella cinetica, derivante dal moto vero e proprio della massa.
L'energia di tipo a) costringe ad esempio le masse a muoversi lungo una discesa, più o meno rapidamente a seconda della forza d'attrito e della pendenza. L'energia di tipo b) consente alle masse in moto di proseguire il movimento anche quando cessa la forza agente, se l'attrito lo consente.
Poiché il lavoro è una forma di energia, si usa anche dire energia meccanica anziché lavoro meccanico: in questo modo si distingue questa forma di energia dalle altre, come la termica (calore), l'elettrica, l'idraulica, ecc.
Nella termodinamica intervengono, come fondamentali, l'energia cinetica, quella termica e quella di pressione; minore importanza, almeno nelle applicazioni usuali, è l'energia di posizione(1). Da ciò nasce la natura e la forma delle leggi che regolano tale disciplina, nelle quali leggi sono presenti appunto quelle forme di energia attraverso grandezze dirette o derivate(2).
L'ENTALPIA.
Tuttavia in realtà tutto deriva, nei gas, dalla quantità di calore posseduta e dalla sua temperatura. Da ciò segue che l'intera energia posseduta da un gas si può "misurare" come se fosse "solo calore": la grandezza che così si ottiene prende il nome di entalpia. L'espressione analitica elementare(3) dell'entalpia è quindi:
nella quale: D U è la variazione di energia interna(4) e il prodotto p v rappresenta l'energia esterna (il simbolo A è il coefficiente che consente di trasformarlo(5) in unità termiche); da ciò segue che I si misura in [ Cal ] "come se tutta l'energia fosse calore". In questo senso l'entalpia viene anche chiamata "contenuto termico globale" del gas.
L'espressione dell'entalpia si può descrivere in questo modo: quando si varia il contenuto termico di un gas (si fornisce o si sottrae calore) si possono ottenere due sole variazioni: 1) dell'energia interna (D U) e 2) dell'energia esterna D ( p v ). La loro somma, misurata con una sola unità di misura, è ovviamente uguale alla variazione di contenuto termico globale D I.
CONSEGUENZE OPERATIVE.
Negli impianti dove si lavora con il calore è relativamente facile calcolare quanto calore si fornisce o si sottrae al gas, e quindi è possibile determinare D I(6). Inoltre con opportuni strumenti è facile misurare pressioni, volumi e temperature, per cui l'entalpia, direttamente, attraverso le misure strumentali, o indirettamente, attraverso il calcolo e le apposite tabelle o diagrammi, è una quantità nota.
Nell'impiantistica l'entalpia è adoperata soprattutto nella termodinamica dei vapori, e quindi per esempio nella trattazione delle centrali termoelettriche, negli impianti frigoriferi e per il calcolo delle pompe di calore(7).
E' bene però tener conto di una posizione di comodo nel calcolo dell'entalpia: nelle applicazioni impiantistiche usuali si pone Q = 0 quando t = 0, cioè si pone uguale a zero il contenuto termico quando la temperatura relativa è zero, mentre la realtà fisica è ben diversa: il contenuto termico vale zero solo alla temperatura dello zero assoluto. Questa posizione è però di grande comodità, perché permette di tener conto solo del calore che aggiungiamo per i nostri fini, in particolare negli impianti di riscaldamento e nelle centrali termoelettriche. Negli impianti frigoriferi addirittura si favoleggia di produzione di "frigorie", cioè il frigorifero non sottrae calore ma "produce freddo".
1) Ben difficilmente può avvenire che il gas si muova verso il basso per effetto del suo peso, almeno negli impianti. Ciò accade invece continuamente nel sistema "atmosfera terrestre", determinando l'insorgere ad esempio del vento. Nell'idraulica sono in gioco l'energia di posizione (detta anche energia potenziale), l'energia cinetica e quella di pressione.
2) Nell'equazione di stato p v = R T compare direttamente l'energia di pressione p, mentre le altre appaiono indirettamente attraverso i parametri volume v e temperatura T.
3) L'espressione corretta è differenziale: dI = dU + A p dv + A v dp. In modo molto approssimativo si scrive: D I = D U + A p D v + A v D p, nella quale p D v è il lavoro termodinamico e v D p è l'energia potenziale dovuta alla variazione di pressione (vedi il paragrafo "Teorema di Bernoulli: interpretazione" nel capitolo Elementi di idraulica).
4) Il coefficiente A vale 1 / 427 ed esprime l'equivalenza fra il lavoro e il calore secondo l'esperienza di Joule. In pratica significa che per ottenere 1 Caloria occorre un lavoro di 427 kg m equivalenti a 4.186 Joule.
5) Ricordiamo che l'energia interna è data da D U = cv D T. Il significato di energia interna può così essere interpretato: essa è una forma di energia potenziale determinata dal calore posseduto dal gas e pronta a diventare energia esterna non appena il recipiente che lo contiene consente il movimento. Si pensi a ciò che accade se un recipiente chiuso contenente del gas si mette su una fonte di calore: il gas accumula energia interna finché il recipiente scoppia.
6) Negli impianti a vapore si veda il diagramma di Mollier, nel quale l'ordinata è proprio l'entalpia.
7) Il nome di "pompa di calore" è veramente strano e fantasioso. Il nome di pompa sarebbe da attribuire esclusivamente a quella macchina che consente di fornire energia (potenziale e/o di pressione e/o cinetica) ad un liquido. Usandolo per il calore significa trattare questo come un liquido (vedi Trasmissione del calore).