Sul secondo principio della termodinamica

Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Nihilus il sab 31 mag 2014, 20:44

Quando ero al liceo avevo un dubbio sul secondo principio della termodinamica che oggi all'apparenza spontaneamente - per ragioni che lasciamo ai neuroscienziati indagare - mi è tornato in mente.
Devo confessare che ancora oggi, esattamente come al liceo, continuo a non capire il secondo principio della termodinamica e diciamo più in generale un po' tutta la fisica. Ricordo di aver letto una conferenza di Feynmann in cui spiegava il mio dubbio, ma allora non l'avevo capito e adesso non ho più il libro sottomano e probabilmente continuerei a non capirlo.
Fatte le dovute premesse ecco il dubbio:

Immaginiamo un rudimentale dispositivo costituito da una turbina dotata di un sistema di blocco che le consente di ruotare solo in un verso e dotata inoltre di un dispositivo per trasformare l'energia della rotazione nel verso consentito in forme facilmente stoccabili per i periodi di carestia.
Idealizzando possiamo immaginare che dopo Xmila anni i movimenti casuali delle molecole d'aria (o di quello che volete) facciano girare la turbina di un certo angolo, immagazzinando una certa quantità di energia nel dispositivo di stoccaggio. Teoricamente questo consentirebbe di stoccare quantità arbitrariamente elevate di energia, supposto di avere mezzi efficienti di stoccaggio e abbastanza tempo per avere fortuna con gli urti.
Mi sembra che questo sia in contrasto con il secondo principio della termodinamica. Come mai non è così?
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Ousia il dom 1 giu 2014, 0:41

Provo a dire la mia, sperando non sia un'idiozia. Le molecole d'aria negli urti perdono una certa quantità di energia che trasmettono alla turbina, e la turbina immagazzina una parte di quell'energia (ma il discorso vale anche nel caso ideale in cui la immagazzinasse tutta) nel dispositivo di stoccaggio. Risultato: la temperatura dell'ambiente si abbassa e l'energia nel dispositivo aumenta. Tutte le trasformazioni avverranno ad una certa temperatura, ed il tutto dovrebbe avvenire rispettando la disuguaglianza (o uguaglianza, a seconda delle ipotesi) di Clausius. L'energia immagazzinata non crescerà indefinitamente, nel caso ideale tenderà asintoticamente alla quantità massima man mano che l'aria nella stanza tende a raggiungere la temperatura di $0 K$.
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Nihilus il lun 2 giu 2014, 14:24

Sì, sembra sensato. Ma allora c'è un problema con il primo principio dato che avremmo ottenuto una macchina termica che ha come unico effetto quello di estrarre calore dalla sorgente.

Edit:
Ho scritto una cosa per un'altra, come fa notare Ousia.
Ultima modifica di Nihilus il lun 2 giu 2014, 17:59, modificato 1 volta in totale.
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Ousia il lun 2 giu 2014, 17:35

Il primo principio è una formulazione della conservazione dell'energia, non pone limitazioni. Nella fattispecie viene sottratto un certo quantitativo di energia dalla sorgente e lo stesso quantitativo di energia o un quantitativo minore, a seconda delle ipotesi di platonismo, viene immagazzinato da un'altra parte. Gli unici problemi potrebbe darli il secondo principio, ma il sistema di blocco sulla turbina, se non ho trascurato qualcosa, rende spontanea la trasformazione.
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Nihilus il lun 2 giu 2014, 18:03

Sì, ho scritto primo principio, ma pensavo al secondo. Non può esistere una macchina termica che ha come unico effetto quello di sottrarre calore ad una sorgente, senza che da qualche altra parte del calore venga ceduto o del lavoro effettuato. Come sembra che faccia a prima vista il nostro macchinario.

Ma...cosa sarebbero le "ipotesi di platonismo"?

Fedecart, ti invoco, giungi in mio soccorso! :)
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Ousia il lun 2 giu 2014, 18:42

Nihilus ha scritto:Ma...cosa sarebbero le "ipotesi di platonismo"?

Assenza di attriti, reversibilità di tutto ciò che può essere reversibile ecc.

Comunque credo tu abbia ragione, se si trascurano gli attriti questa sarebbe anche una macchina che trasforma integralmente il lavoro delle molecole d'aria in energia immagazzinata, quindi una macchina col rendimento del 100%, c'è qualcosa che non va. A questo punto attendo anch'io l'intervento di Fedecart :mrgreen:
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda Fedecart il mar 3 giu 2014, 15:18

Ne ho parlato da poco con un compagno di corso.
Onestamente non ho le idee chiarissime, ma vedo questo esperimento pensato molto simile a quello famoso dei diavoletti di Maxwell.

Io credo che il problema della violazione del secondo principio, in ogni caso, non si ponga.
Cioè non succede nulla se il secondo principio è violato a volte, perchè il secondo principio è un risultato statistico.
Nel senso, dato uno stato termodinamico, c'è un'altissima probabilità che evolva spontaneamente verso un'altro stato con entropia maggiore o uguale, ma questa probabilità non è uno.

Questo è un fatto che si vede solo nei corsi di meccanica statistica, e non nei corsi di "fisica uno" oppure al liceo, ma è reale ed è la comprensione moderna che abbiamo del secondo principio.

Il modo classico con cui si vede questo fatto è l'applicazione delteorema del ritorno di Poincarè alla termodinamica.

Ora però, queste violazioni tipicamente avvengono o per tempi brevissimi, oppure il tempo da aspettare affinchè la violazione sia ragionevolmente probabile è di molto maggiore alla vita attuale dell'universo. C'è tutta una branca della fisica, che si chiama teoria delle fluttuazioni, e che studia questi stati che violano il secondo principio. In generale si dimostra che il tempo da attendere perchè la violazione esista è dell'ordine $e^{N_A}$. Quindi, in generale non ce ne curiamo.

Inoltre, supponiamo di essere in un caso eccezionale, in cui in cui la pala gira di un angolo tale da immagazzinare una quantità di energia perlomeno misurabile, in un tempo molto minore della vita attuale dell'universo. In questo caso, l'unica soluzione è che l'azione del fermo presente nella pala produca una quantità di entropia maggiore, in modo dal bilanciare il tutto.
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Re: Sul secondo principio della termodinamica

Messaggioda mattiapdo il mar 17 giu 2014, 18:23

Ciao!

Allora non c'è niente di male ad immagazzinare energia... è esattamente quello che viene fatto dalle compagnie energetiche quando sfruttano la caduta di masse d'acqua nelle dighe... Il tuo dispositivo sembra voler prendere energia da una "fonte più accessibile" come l'aria... se non ho capito male tu vuoi costruire una pala eolica che non accumuli differenza di potenziale, ma scalda qualcosa... per esempio un gas...

Il tuo dispositivo trasforma il lavoro in calore ed il Secondo Principio non pone limitazioni in questo senso...
A questo punto avrai una sorgente di calore che tu vuoi trasformare in lavoro:

Formulazione di Kelvin-Planck del Secondo Principio
È impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la trasformazione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sola sorgente.

Quindi una volta ottenuta la tua sorgente di calore cosa vorresti farci?
Immagina per esempio di scaldare un cilindro munito di pistone mobile con all'interno del gas: questo scaldandosi si espande e in effetti compie lavoro... il problema è che non ha compiuto una trasformazione ciclica!

Riassumendo: se passi per l'energia termica non potrai riconvertirla interamente in energia meccanica.
Dimmi se non ho centrato il punto... io ci ho provato :)
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