Esercizi sul secondo principio della termodinamica
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In questa pagina troverete una raccolta di esercizi dedicati al secondo principio della termodinamica, uno dei fondamenti più profondi e significativi della fisica. Questo principio introduce il concetto di direzionalità dei processi termodinamici, stabilendo che non tutti i processi energetici sono reversibili e che il calore non può passare spontaneamente da un corpo freddo a uno caldo. A differenza del primo principio, che riguarda la conservazione dell’energia, il secondo principio pone dei limiti alla trasformazione dell’energia stessa.
Attraverso gli esercizi proposti, esplorerete concetti chiave come l’entropia, il rendimento dei motori termici, i cicli reversibili e irreversibili, e la distinzione tra trasformazioni spontanee e non spontanee. Questo principio è alla base della comprensione dei fenomeni irreversibili della natura ed è cruciale per lo studio dei cicli termodinamici, della produzione di energia e dei limiti fondamentali dell’efficienza nei processi fisici e tecnologici.
Questa raccolta è pensata per studenti di scuole superiori e appassionati di scienze fisiche che desiderano approfondire le proprie conoscenze e migliorare le proprie capacità di problem-solving. Speriamo che vi sia utile nel vostro percorso di studio e vi fornisca una solida base per affrontare con sicurezza le sfide poste dalla termodinamica. Buono studio!
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Esercizi svolti sul secondo principio della termodinamica
Sul rendimento in un ciclo irreversibile
Una mole di gas perfetto monoatomico si trova inizialmente nello stato 
e compie il ciclo motore mostrato in figura. La trasformazione 
è un’espansione isoterma reversibile in cui il volume triplica 
. Il gas poi si espande adiabaticamente tramite una trasformazione irreversibile che lo porta allo stato 
tale che 
e 
. Il gas poi compie una compressione isoterma reversibile fino allo stato 
in cui 
ed infine compie un’espansione isobara che lo riporta allo stato
- Calcola il rendimento
del ciclo
[
]
Sulla variazione di entropia dell’universo in un motore irreversibile
Un motore compie una trasformazione irreversibile assorbendo calore 
da una sorgente a temperatura 
e cedendo calore ad una sorgente a temperatura 
. Se il lavoro prodotto è 
- Calcola la variazione di entropia dell’universo
[
]
Sul calcolo dell’efficienza di una macchina
Una macchina compie 
cicli al secondo assorbendo una potenza 
ed opera tra due sorgenti a temperatura 
e 
. Se ad ogni ciclo l’entropia dell’universo aumento di 
- Calcola l’efficienza della macchina
[
]
Sul numero di cicli in una macchina frigorifera
Ad ogni ciclo una macchina frigorifera reversibile assorbe calore pari a 
da una sorgente di 
di acqua cedendo 
alla sorgente calda assorbendo un lavoro pari a 
[Suggerimento: Il calore latente di fusione del ghiaccio è 
]
- Calcola il numero di cicli per far congelare la massa
di acqua
[
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Sulla variazione di entropia in un ciclo irreversibile
Una mole di gas perfetto monoatomico compie un ciclo irreversibile formato dalle seguenti trasformazioni:
- Espansione libera dallo stato allo stato
in cui raddoppia il volume - Compressione adiabatica irreversibile dallo stato allo stato
- Compressione isoterma reversibile dallo stato allo stato in cui raggiunge
- Trasformazione adiabatica dallo stato allo stato che riporta il sistema nello stato iniziale
- Calcola la variazione di entropia del gas
nella trasformazione dallo stato allo stato
[Nota bene: Le trasformazioni irreversibili sono rappresentate da linee tratteggiate]
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Sulla variazione di entropia di un blocco di metallo
Un blocco di metallo di massa 
e temperatura 
cade da un’altezza pari a 
nell’oceano che si trova a temperatura 
. Il calore specifico del blocco di metallo è 
. Se la variazione di entropia del blocco di metallo dopo la caduta è 
. Trascura qualsiasi interazione con l’aria durante la caduta.
- Calcola la variazione di entropia dell’universo
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