Di solito, nella termodinamica liceale, si dice(va) che il rendimento ideale è quello del ciclo di Carnot (due trasformazioni adiabatiche unite da due isoterme) e che i cicli reali hanno un rendimento tanto migliore quanto più si avvicinano al ciclo di Carnot, il quale, peraltro, non è realizzabile, perché non esistono materiali che permettano di alternare trasformazioni adiabatiche e trasformazioni isoterme.
Si fa anche vedere cosa significa questo sul diagramma entropia-temperatura, con un linguaggio che per il liceale è quanto meno ostico per la mancanza dei rudimenti dell’analisi matematica (limiti, derivate, integrali, studio di funzione). Però, pensiamo un attimo alla natura del calore, che è una forma di energia caratterizzata dal moto caotico delle particelle, e la quantità di calore la puoi vedere come l’energia cinetica totale di tutte le particelle presenti e la pressione viene interpretata come data dagli urti delle particelle contro le pareti di un recipiente: con l’urto, cambia la loro quantità di moto, e quindi danno un impulso.
Solo che si tratta, appunto, di moto caotico: voglio dire che non è come un getto d’acqua, dove le molecole d’acqua hanno tutte le stessa direzione e lo stesso verso. Nel caso del getto d’acqua, si può sempre pensare di costruire una turbina da cui l’acqua esce con velocità nulla, o quasi, avendo ceduto tutta la sua energia alla turbina, quindi con un rendimento altissimo di trasformazione. Nelle trasformazioni termodinamiche non può avvenire così, perché il moto è caotico, e per utilizzare tutta l’energia posseduta dal fluido occorrerebbe annullare, o quasi, tutta l’energia cinetica di ogni singola particella. Ma per fare questo, bisognerebbe che la nostra trasformazione si concludesse quando l’energia cinetica di ogni singola particella tende ad annullarsi, cioè in prossimità dello zero assoluto (0°Kelvin), cosa non realizzabile.
Quindi, ne emerge l’importanza della temperatura della sorgente fredda, quella a cui si scarica il calore residuo: giunti a tale limite, non è possibile spremere altra energia, perché non si può ridurre ulteriormente l’energia cinetica delle particelle, e non si può andare oltre. Non scandalizzi, quindi, il fatto che il rendimento di una trasformazione termodinamica non vada mai oltre il 60%, anche nel migliore dei casi, e spesso sia molto inferiore: non è colpa di nessuno, le imperfezioni delle macchine a fluido sono causa della riduzione del rendimento al di sotto di quello del ciclo di Carnot, ed è per quello che il rendimento termodinamico ottenibile si evolve e migliora: 60 anni fa si aggirava intorno al 30%, ora mediamente batte vicino al 50% e potrà migliorare ancora, ma non arriverà mai a quello che vorremmo, perché la sorgente fredda non sarà mai a 0°K.
