LE LEGGI DEL MONDO FISICO

RIFLETTIAMO SULLE ESPERIENZE QUOTIDIANE PER SPIEGARE CON PAROLE SEMPLICI E CON QUALCHE FORMULA LE LEGGI SCRITTE DA DIO NELLA STRUTTURA DEL MONDO FISICO

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Webmaster ed Autore: Prof. Antonino Cucinotta
Dottore in Fisica
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LA PRIMA LEGGE DELLA DINAMICA (PRINCIPIO D'INERZIA DI GALILEI-NEWTON)

L'IMPULSO DI UNA FORZA E LA QUANTITA' DI MOTO DI UN CORPO

LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA (LEGGE DI GALILEI-NEWTON)

LA TERZA LEGGE DELLA DINAMICA (PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE DI NEWTON)

LA LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE

LA LEGGE GALILEIANA DI CADUTA DEI GRAVI

IL PRINCIPIO DI RELATIVITA' DI GALILEO

IL PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA MOTI ACCELERATI E CAMPI GRAVITAZIONALI)

IL TEOREMA DELLE FORZE VIVE (TEOREMA LAVORO-ENERGIA)

ILPRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA QUANTITA' DI MOTO

LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA DEI SISTEMI MATERIALI IN MOTO ROTATORIO

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DEL MOMENTO ANGOLARE

L'ATTRITO

LA RESISTENZA IDRODINAMICA

LA RESISTENZA AERODINAMICA

IL PRINCIPIO DI PASCAL

I PRINCIPI DI ARCHIMEDE E DI STEVINO

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA ED I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA

TRASFORMAZIONI DI CALORE IN LAVORO MECCANICO

L'UNIFICAZIONE RELATIVISTICA DEI PRINCIPI DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA E DELL'ENERGIA

I CAMPI ELETTRICI

IL LAVORO DELLE FORZE ELETTRICHE>

LE LEGGI DI OHM E DI JOULE

I CAMPI MAGNETICI

LA LEGGE DI AMPERE (TEOREMA DELLA CIRCUITAZIONE MAGNETICA)

LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN (LEGGE DI INDUZIONE ELETTROMAGNETICA)

FORZE ELETTROMAGNETCHE (DI LORENTZ) AGENTI SU CARICHE ELETTRICHE IN MOTO IN CAMPI MAGNETICI

FORZE ELETTROMAGNETICHE AGENTI SU CIRCUITI ELETTRICI SOGGETTI A CAMPI MAGNETICI

FORZE ELETTROMAGNETICHE (ELETTRODINAMICHE) AGENTI TRA CIRCUITI ELETTRICI

L'ELETTROMAGNETISMO DI MAXWELL

I CAMPI ELETTROMAGNETICI E LA PROPAGAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LE LEGGI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LA POLARIZZAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

L'INTERFERENZA DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LA DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

L'EFFETTO DOPPLER

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE

L'energia termica si può trasmettere da un corpo ad un altro in tre modi: per conduzione, per convezione, per irraggiamento.

PROPAGAZIONE TERMICA PER CONDUZIONE

Sappiamo che quando due corpi a temperature diverse vengono messi direttamente a contatto, in tutti i punti della superficie di contatto il calore passa dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore, fino al raggiungimento
dell' equilibrio termico, cioè finchè entrambi i corpi non abbiano assunto in tutti i punti la stessa temperatura, corrispondente ad uguali valori medi dell' ampiezza delle oscillazioni armoniche e quindi dell' energia di agitazione termica di tutti gli atomi dei due corpi.
Se invece il contatto ha luogo attraverso uno o più strati di altri materiali, il trasferimento di calore da un corpo all' altro avviene indirettamente, attraverso le oscillazioni armoniche degli atomi dei materiali interposti.
La legge che consente di calcolare la quantità di calore DQ che passa nell'intervallo di tempo Dt attraverso uno strato di materiale di spessore Dx ed area S, tra le cui facce esista una differenza di temperatura DT, si può esprimere con la relazione:
DQ = - (k SDT/Dx) Dt, dove k è una costante di proporzionalità che prende il nome di conducibilità termica del materiale, per la quale
riportiamo due valori sperimentali tipici:
per il rame (buon conduttore termico)
k
= 0,92 (calorie/secondo)/[(cm2)(°C/cm)];
per il cemento (cattivo conduttore termico)
k = 0,002 (calorie/secondo)/[(cm2)(°C/cm)].
Pertanto l'intensità Ith della corrente termica di conduzione (flusso di calore espresso in calorie/sec) attraverso lo strato è data da:
    Ith  = DQ/Dt = - kS (DT/Dx).
Il rapporto incrementale DT/Dx prende il nome di gradiente termico (dal latino "gradus" , passo), in quanto esprime la variazione di temperatura per unità di spessore, valutata in funzione di DT e del passo Dx , all'interno del materiale conduttore.
Il segno meno serve a compensare il segno negativo della variazione (diminuzione) di temperatura DT nel verso del flusso di calore, che è diretto dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore.
I metalli sono i migliori conduttori termici grazie al contributo degli elettroni liberi, la cui energia di agitazione termica si aggiunge a quella associata alle oscillazioni degli atomi della struttura cristallina.
I gas sono caratterizzati da valori della conducibilità termica da 10000 a 100000 volte minori rispetto ai metalli.

Esempio

Il flusso termico attraverso una lastra di rame con superficie
S = 1 m2 = 10000 cm2 e spessore Dx = 2 cm , tra le cui facce sia mantenuta una differenza di temperatura DT = - 50 °C è pari a:
Ith = DQ/Dt = - KS (DT/Dx) = - 0,92 x 10000 x (-50/2) = 230000 calorie/secondo .
Se si considera invece una lastra di cemento con la stessa superficie e lo stesso spessore, il flusso termico si riduce a
Ith = DQ/Dt = - KS (DT/Dx)= - 0,002 x 10000x (-50/2) = 500 calorie/secondo.

PROPAGAZIONE TERMICA PER CONVEZIONE

La propagazione del calore per convezione si basa sui moti convettivi (dal latino convehere = trasportare) di un fluido dalle zone a temperatura maggiore verso quelle a temperatura minore; il fenomeno consiste infatti nel trasferimento di calore, dalle zone più calde a quelle meno calde, mediante spostamenti di materia.
Come semplice esempio di propagazione del calore per convezione, consideriamo il riscaldamento dell'acqua contenuta in una pentola posta su un fornello.
L'acqua, riscaldandosi in prossimità del fondo della pentola e subendo così una diminuzione di densità, per il principio di Archimede tende a salire, cedendo calore all' acqua fredda in superficie, e subito dopo, avendo subito un aumento di densità a seguito della cessione di calore, discende verso il fondo del recipiente per dare inizio ad un nuovo ciclo di riscaldamento-raffreddamento-riscaldamento.
In tal modo, grazie ai continui moti convettivi, il calore si propaga a tutta l'acqua contenuta nella pentola.
I venti e le correnti marine sono causati da moti convettivi, rispettivamente, dell'aria e dell'acqua, dovuti alle differenze di temperatura determinate dall' assorbimento della radiazione solare.
Nel caso dei venti, sulle zone calde della superficie terrestre, per effetto della minore densità dell' aria e di conseguenti moti convettivi ascensionali, si formano aree di bassa pressione (aree cicloniche), verso le quali si dirige l' aria fredda, più densa, proveniente dalle zone anticicloniche (con temperatura minore e pressione maggiore).
In modo analogo, le correnti marine sono dovute a moti convettivi prodotti dalle differenze di salinità e di temperatura tra masse d' acqua a profondità diverse.
Sui moti convettivi si basa il funzionamento degli impianti di riscaldamento domestici che utilizzano termosifoni.
L' acqua circola nei tubi per convezione naturale, per effetto della differenza di temperatura esistente tra la caldaia ed i radiatori.
Sui moti convettivi dell' aria si basa il funzionamento dei dissipatori termici (radiatori) utilizzati nei motori termici, nei frigoriferi, nei condizionatori e nelle apparecchiature elettroniche.
Il flusso di calore ceduto all' ambiente per convezione naturale è direttamente proporzionale alla superficie radiante ed alla differenza di temperatura esistente tra il radiatore e l'ambiente.

PROPAGAZIONE TERMICA PER IRRAGGIAMENTO

Tutti i corpi con temperatura superiore allo zero assoluto (T = 0 °K ,
t = - 273,16 °C
) emettono energia sotto forma di onde elettromagnetiche (energia radiante) con lunghezza d' onda variabile con continuità nella banda compresa tra l'infrarosso lontano e la luce visibile.
Le onde elettromagnetiche che costituiscono la radiazione termica sono emesse dalla materia per effetto delle oscillazioni delle cariche elettriche atomiche e molecolari dovute all' agitazione termica.
Poichè, come dimostrò Larmor, una carica elettrica soggetta ad un moto accelerato irradia onde elettromagnetiche, l'accelerazione dei moti oscillatori atomici e molecolari implica l' emissione di energia elettromagnetica.
Si verifica che la potenza radiante emessa per unità di superficie (potere emissivo totale), considerando l' intera banda delle lunghezze d' onda misurabili, è data dalla legge di Stefan: E (watt/m2) = e s T 4 , dove e (< 1) è una costante (coefficiente di emissione) che dipende dalla superficie radiante, s = 5,7 10-8 W/(m2 °C 4) è una costante di proporzionalità e T è la temperatura assoluta (°K).
Se e = 1, si tratta di un emettitore ideale (corpo nero), caratterizzato dal massimo potere emissivo.
Se t=1000 °C , T=1000 + 273,16=1273,16 °K ,
E=1 x 5,7 10-8 1273,164=149763,78 W/m2.

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA ED I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA

Il principio di conservazione dell'energia è, unitamente ai principi fondamentali di conservazione della quantità di moto e del momento angolare, una legge fondamentale della natura, valida universalmente sia nel mondo fisico macroscopico che nel microcosmo.
E' un principio unificatore che lega tutti i fenomeni fisici e fornisce una visione unitaria ed integrata di tutte le teorie fisiche, dalla meccanica celeste, alla meccanica quantistica, alla teoria quantistica dei campi, al modello standard.
L'enunciazione di questo principio risale al XIX secolo, e si deve a diversi studiosi, alcuni dei quali non si occupavano di fisica:
Julius Robert Mayer (medico tedesco, 1814-1878),
James Prescott Joules (industriale inglese, 1818-1889),
Hermann von Helmholtz (fisiologo tedesco , 1821-1894).
Questi studiosi, indipendentemente l'uno dall'altro, contribuirono per vie diverse alla comprensione di questa fondamentale legge naturale:
Mayer attraverso osservazioni attinenti alla fisiologia umana;
Joule eseguendo con diversi metodi la misura dell' equivalente meccanico del calore (determinò che una piccola caloria, che è la quantità di calore che deve essere fornita alla massa di 1 grammo d' acqua per aumentarne la temperatura di 1°C, equivale ad un' energia meccanica di circa 4,18 joule);
Helmholtz rendendosi conto (1847) per primo che tutte le forme di energia (cinetica, potenziale, elettrica, termica , chimica) sono equivalenti.

Esempio


ELETTROPOMPA CHE RIEMPIE UN SERBATOIO ALLA QUOTA H2

Applichiamo il principio di conservazione dell'energia ad un liquido incomprimibile e non viscoso di densità r ,che fluisce in un tubo obliquo a sezione variabile, caratterizzato dalla sezione minima S1 alla quota H1 e dalla sezione massima S2 alla quota H2 .
Se p1 è la pressione del liquido in corrispondenza di S1 e p2 quella in corrispondenza di S2 , il lavoro fatto dalla forza di pressione F1= p1 S1, diretta verso destra ed esercitata dal liquido che si trova a sinistra di S1 sul liquido che entra nel tubo è F1d1 = p1S1 d1 per lo spostamento d1 verso destra, mentre il lavoro fatto dal liquido che esce dal tubo contro il liquido che si trova a destra di S2  è F2d2 = p2 S2 d2 per lo spostamento d2 verso destra.
L' applicazione del teorema lavoro-energia (delle forze vive) al volume di liquido S1 d1 = S2d2 ,consiste nell' uguagliare il lavoro netto L = p2 S2 d2 - p1 S1d1 che viene eseguito sulla massa liquida m = r S1d1 = r S2 d2 , alla somma degli aumenti DU e DK, rispettivamente dell'energia potenziale gravitazionale
DU = r S2 d2 g H2 - r S1 d1 g H1 e dell' energia cinetica 
DK = (1/2) r S2 d2V22 - (1/2) r S1 d1V12 :  
L = DU + DK
.
Ordinando opportunamente i termini si ottiene:
p1S1d1 + (1/2) r S1 d1 V12r S1d1 g H1 =
=  p2 S2 d2+ (1/2)
r S2d2 V22 + rS2d2 g H2 .
Dividendo ambo i membri per S1d1 = S2 d2, si ottiene il teorema di Bernoulli, che equivale al principio di conservazione dell' energia meccanica totale applicato ad un liquido o ad un gas :
p1 + (1/2) r V12 + r g H1 =p2 + (1/2) rV22 + r g H2=costante.
Il teorema di Bernoulli afferma che in un punto qualsiasi del tubo a sezione variabile, si mantiene costante l' energia meccanica totale di un volume unitario di liquido, data dalla somma della pressione p1 , della pressione dinamica (o cinetica) (1/2) r V2 (energia cinetica per unità di volume) e della pressione idrostatica (energia potenziale gravitazionale per unità di volume) r g H .
Tenendo conto che, con riferimento alla massa di liquido
m = r S1d1 = r S2 d2 che passa nel tubo nell' intervallo di tempo Dt , la velocità, per il concetto di portata volumetrica ( P = SV in m3/s) è inversamente proporzionale alla sezione del tubo (S1d1 = S2d2 ; S1V1 Dt = S2 V2 Dt ), si deduce in particolare che, se il tubo è orizzontale (H1 = H2), dovendo la velocità aumentare dove la sezione diminuisce e dovendo  risultare costante la somma delle pressioni, nella strozzatura la pressione p diminuisce.
Viceversa, dove la sezione aumenta, la velocità diminuisce e la pressione aumenta.
Se r = 1000 kg/m3 (densità dell'acqua),
V1 = 25,36 m/s , S1  = 100 cm2 , H1 = 2 m ,
p1 = 3 atmosfere = 3 x 1,013 x 105 newton/m2 = 3,039 x 105 newton/m2 ,
S2   = 200 cm2 , H2 = 5,2 m ,
p2 = 5 atmosfere =5,065 x 105 newton/m2 , la velocità V2 assume il valore che si ottiene dall'equazione:
3,039 x 105 + 0,5 x 1000 x 625 + 1000 x 9,81 x 2 =
= 5, 065 x 105 + 0,5 x 1000 x V22   + 1000 x 9, 81 x 5,2 ;
3, 039 x 105 + 0,5 x 1000 x 625 + 1000 x 9, 81 x 2 - 5,065 x 105-1000 x 9,81 x 5,2 = 0,5 x 1000 V22 ;
500 V22 =  (3, 039 - 5,065) x 105 + 1000 x 9, 81 x ( 2-5,2) +
0,5 x 1000 x 625 = -202600-31392+ 312500 ~= 78508 .
V2 = radice quadrata di( 78508/500 ) = radice quadrata di 157 ~= 12,5 m/s.
La portata volumetrica è  P = S1V1 = S2 V2 = 100 x 10-4x 25 m/s ~= 0.25 m3/s.
Osserviamo che la velocità V2 è praticamente uguale aV1/2 , poichè S2 = 2S1 .
L'aumento di 2 atmosfere della pressione p del liquido e l'aumento di energia potenziale gravitazionale del liquido , per unità di volume, relativo all' aumento di quota di 3 m, si ottengono a spese della minore energia cinetica del liquido per unità di volume,cioè a spese della minore della pressione dinamica (1/2) r V2.

Altri esempi applicativi del teorema di Bernoulli

1) Se ci troviamo a bordo di un' auto ferma e passa a breve distanza da noi un' auto a velocità sostenuta, avvertiamo una temporanea spinta laterale che tende a far avvicinare la nostra auto a quella in transito.
Infatti, per il teorema di Bernoulli l' aumento della velocità
dell' aria nello spazio compreso tra le auto, che si comporta come la strozzatura di un tubo, determina una diminuzione di pressione rispetto a quella atmosferica  e di conseguenza  il temporaneo avvicinamento di un' auto all' altra.
2) L'ala di un aereo è soggetta ad una spinta aerodinamica verso l' alto (portanza), che è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra la pressione sotto l' ala e quella al di sopra di essa.
Poichè la differenza di pressione è tanto maggiore quanto maggiore è la velocità dell'aereo, si deduce che la faccia superiore dell' ala si comporta come la strozzatura di un tubo, come si può rilevare studiando il comportamento aerodinamico di un modello dell' ala utilizzando la galleria del vento.

 

FORZE AERODINAMICHE AGENTI SULL'ALA DI UN AEREO

LE LINEE DI CAMPO DELLA VELOCITA' SI ADDENSANO
SULLA PARTE SUPERIORE DEL PROFILO, DOVE
LA PRESSIONE E' MINORE E LA VELOCITA' E' MAGGIORE

Se infine il liquido è viscoso, bisogna tenere conto della quantità di calore che si sviluppa per unità di volume a causa dell'attrito interno.

Il primo principio della termodinamica

Dall' enunciazione del principio di conservazione dell' energia deriva il primo principio della termodinamica, che non è altro che un particolare enunciato riferito a tutti quei fenomeni che implicano la trasformazione di lavoro meccanico, elettrico o magnetico in calore, cioè in energia termica e, e di calore in lavoro, con le limitazioni stabilite per i motori termici dal
secondo principio della termodinamica.
Il primo principio della termodinamica, esprimendo il principio di conservazione dell'energia per i fenomeni termici, impedisce la realizzazione del cosiddetto perpetuum mobile del primo tipo, cioè di una macchina termica che produca lavoro senza assorbire calore.

Esempi applicativi del primo principio della termodinamica:

TRASFORMAZIONI INTEGRALI DI LAVORO IN CALORE

1) La trasformazione in calore del lavoro meccanico dovuto alle forze di attrito, per esempio nei freni di un' auto o di un convoglio ferroviario;
2) La trasformazione in calore del lavoro meccanico fatto piantando un chiodo in un pezzo di legno o piegando più volte un' asta metallica;
3) La trasformazione in calore del lavoro fatto da un generatore per far passare la corrente elettrica in un conduttore metallico (termosifoni, scaldabagni, cucine e forni elettrici);
4) La trasformazione in calore del lavoro fatto per comprimere un gas.

TRASFORMAZIONI DI CALORE IN LAVORO MECCANICO:

Esempi

1) Riscaldamento di un gas a pressione costante p in un cilindro dotato di un pistone di sezione S, libero di muoversi e sottoposto ad una forza costante (dovuta alla forza esercitata dalla pressione atmosferica e ad eventuali altre forze costanti applicate al pistone) : Q = L + DU , dove Q è la quantità di calore assorbita dal gas,
L = F x Dh = p x S x Dh = p x DV è il lavoro fatto dal gas che si espande a pressione costante con un aumento di volume DV,
DU = Ufinale - Uiniziale è l'aumento di energia interna del gas che si riscalda.
La formula Q = L + DU esprime l' enunciato del primo principio della termodinamica.

2) Trasformazione in lavoro meccanico Q = L della quantità di calore
Q = Qa - Qb , che nel ciclo termodinamico di una macchina termica è data dalla differenza tra la quantità di calore Qa che essa assorbe da una sorgente di calore ad alta temperatura Ta
(- calore fornito dalla combustione della miscela aria-benzina in un motore a scoppio o da quella della miscela aria-gasolio in un motore Diesel;
-calore generato dalla combustione di carbone, gas naturale, olio minerale oppure dalla fissione nucleare, nel caso di una turbina a vapore)
e la quantità di calore Qb che essa cede ad una sorgente di calore a bassa temperatura Tb , attraverso lo scarico ed il radiatore, o attraverso il condensatore, che , nel caso di una centrale termica o nucleare, richiede l' acqua del mare o di un fiume per il raffreddamento delle turbine a vapore.
L' impossibilità pratica di trasformare in lavoro meccanico tutto il calore Qa fornito dalla sorgente termica ad alta temperatura, è stabilita dal secondo principio della termodinamica, formulato nel XIX secolo in modi diversi , ma equivalenti, da Lord Kelvin (William Thomson) e da Rudolph Clausius (fisico tedesco, 1822 - 1888), considerati i fondatori della termodinamica, assieme all' ingegnere francese Sadi Carnot (1796-1832) , il quale nel 1824, studiando il rendimento delle macchine termiche reali, si convinse che il loro rendimento
(rapporto r = L/Qa = (Qa - Qb)/ Qa = (Ta - Tb)/Ta = 1 - Tb/Ta ) non può mai superare il rendimento di una macchina termica ideale (macchina di Carnot) operante tra le stesse temperature Ta e Tb, espresse in gradi kelvin (T ° K = t °C + 273,16).
Lord Kelvin, basandosi su considerazioni termodinamiche e considerando che tutti i tentativi di costruire una macchina termica che utilizzasse una sola sorgente di calore a temperatura costante, erano stati vani, enunciò il secondo principio affermando l' impossibilità di costruire una tale macchina termica.

Il secondo principio della termodinamica

Il secondo principio della termodinamica è una legge naturale che impedisce di sfruttare illimitatamente e completamente le immense riserve di energia termica immagazzinate negli oceani e nel sottosuolo (il cosiddetto perpetuum mobile del secondo tipo),in quanto è sempre inevitabile trasferire una consistente quantità di calore ad una sorgente a temperatura minore, cioè all' ambiente in cui opera la macchina termica.
In altri termini, il secondo principio della termodinamica stabilisce che per trasformare in modo continuativo calore in lavoro è sempre necessario disporre di un salto termico e quindi di due sorgenti termiche a temperature diverse.
Si può dimostrare che la formulazione del secondo principio della termodinamica secondo Clausius è equivalente a quella di Lord Kelvin.
Clausius affermò che è impossibile costruire un frigorifero ideale, cioè un frigorifero che trasferisca calore da un corpo ad un altro a temperatura maggiore, senza impiegare lavoro meccanico.
In modo equivalente si può dire che il secondo principio della termodinamica stabilisce il verso di propagazione naturale del calore, da un corpo ad una data temperatura ad un altro a temperatura minore.
Per invertire il flusso naturale del calore bisogna impiegare lavoro meccanico.
Il rendimento r = L/Qa = (Qa - Qb)/ Qa di alcuni tipi di macchine termiche reali (macchine a vapore, motori a combustione interna, turbine a vapore) assume , in media, i seguenti valori pratici:
Motori a scoppio (ciclo Otto) : r = 25 % ;
Motori a ciclo Diesel : r = 32 % ;
Tubine a vapore (ciclo Rankine) :r = 40 %.
Questi bassi valori del rendimento termodinamico implicano la cessione all' ambiente di una notevole quantità di calore che, a meno che non venga utilizzato per produrre energia elettrica o per riscaldare ambienti, è preziosa energia sprecata, anzi destinata ad incrementare artificialmente la temperatura dell' aria e dell'acqua di raffreddamento con rilevanti danni per l' ambiente.
Questo fenomeno negativo fa parte del principio di degradazione dell' energia, che afferma che l' energia termica ad alta temperatura ottenuta a spese di forme di energia più pregiate (chimica, nucleare), per il secondo principio della termodinamica implica sempre notevoli sprechi nel processo termodinamico di conversione che si utilizza per ottenere energia meccanica, in quanto viene sempre prodotta energia termica a bassa temperatura, che è impossibile riconvertire integralmente in energie più nobili.
Ne consegue, pur valendo sempre il principio di conservazione
dell' energia (I principio della termodinamica), una sempre crescente indisponibilità di energia, che può essere compresa ricorrendo al classico esempio delle due masse d' acqua, aventi temperature tali da consentirne l' utilizzazione come sorgenti termiche per far funzionare una macchina termica e ricavare energia meccanica.
Se invece le due masse d' acqua vengono mescolate ottenendo, raggiunto l' equilibrio termico, una sola sorgente termica a temperatura intermedia rispetto a quelle iniziali, pur essendo rispettato il principio di conservazione dell' energia, in quanto il calore acquisito dalla massa d' acqua fredda è uguale a quello ceduto dalla massa d' acqua calda, non è più possibile utilizzare l' unica massa d'acqua a temperatura uniforme per far funzionare una macchina termica.
L' esempio evidenzia che nel processo irreversibile di traferimento del calore dalla massa calda a quella fredda, è aumentato il disordine del sistema, che è misurato attraverso una grandezza termodinamica importantissima, l'entropia.
Nell'universo , caratterizzato da processi termodinamici irreversibili, come la propagazione del calore da un corpo caldo a un corpo freddo, l'entropia aumenta sempre, pur conservandosi l' energia totale, in tutte le sue forme.
Ecco perchè il secondo principio della termodinamica si può enunciare anche, seguendo Clausius, come principio dell'aumento dell'entropia.
Quando avviamo il motore di un' auto, anche se l' entropia della macchina termica non cambia, perchè essa sfrutta un ciclo termodinamico reale, cioè un insieme di trasformazioni irreversibili (espansioni e compressioni) che riportano il motore nello stato iniziale, tuttavia l' entropia dell'ambiente , e quindi dell'universo, aumenta sempre.
Se si pensasse di costruire una macchina termica ideale (di Carnot) con un rendimento del 100% ,
r = L/Qa = (Qa - Qb)/ Qa = (Ta - Tb)/Ta = 1 - Tb/Ta = 1 per Tb = 0, bisognerebbe raffreddare il condensatore della macchina alla temperatura dello zero assoluto (Tb = 0 °K).

Il terzo principio della termodinamica

A prescindere dalle notevolissime difficoltà pratiche che si incontrerebbero per realizzare una tale macchina, bisogna tenere presente che è impossibile realizzarla per il terzo principio della termodinamica (principio di Nernst, che afferma che quanto più ci si avvicina allo zero assoluto (t = - 273 °C , corrispondente a T = °K), anche di qualche milionesimo di grado kelvin, tanto più difficile è abbassare ulteriormente la temperatura.
In altri termini, non è possibile raggiungere la temperatura dello zero assoluto con un numero finito di trasformazioni termodinamiche.
Questa legge naturale è collegata direttamente al comportamento della materia allo zero assoluto, secondo i principi della meccanica quantistica, la quale , per il principio di indeterminazione di Heisenberg , impedisce di localizzare esattamente una particella elementare della quale sia nota esattamente la quantità di moto.
Pertanto a tutti gli stati quantici del punto zero compete un' energia minima , detta appunto energia del punto zero, ma non nulla.
Si dice, alternativamente, che al punto zero tutti gli stati hanno la stessa entropia.

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