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Una macchina termica è un qualsiasi dispositivo che usa energia termica per compiere lavoro. Un esempio di macchina termica è la machina a vapore:
schematicamente avremo una cosa di questo tipo, da cui risulta evidente che l' energia interna iniziale sarà uguale al calore (energia termica) che noi forniamo alla macchina.
Un aspetto importante di una macchina termica è il rendimento. Una macchina che converte in lavoro la maggior parte dle del calore assorbito ha un alto rendimento. Il rendimento è per definizione il rapporto fra il lavoro W compito dalla macchina e il calore assorbito Qh.
Ogni macchina termica ha un rendimento massimo quando le trasformazioni che si svolgono al suo interno sono reversibili. Una trasformazione reversibile è una trasformazione in cui sia il sistema, sia l' ambiente esterno posso essere fatti ritornare esattamente negli stati in cui erano prima che si svolgesse la trasformazione. Questa idea del rendimento maggiore per macchine reversibili è nota come teorema di Carnot Il quale dimostrò che in macchina termica con queste caratteristiche (macchina di Carnot) il rendimento può essere calcolato anche nel seguente modo:
Macchine termiche possono essere fatte funzionare in senso inverso, come nei frigoriferi, nei quali il lavoro W viene usato per "penetrare" una sorgente fredda, "afferrare" una quantità di calore Ql e cedere una quantità di calore Qh a una sorgente calda. In questi casi si può ottenere una misura delle prestazioni di un frigorifero specificando il rapporto tra il calore Ql sottratto a una sorgente fredda e il lavoro W necessario per sottrarlo. Questo rapporto è detto coefficiente di effetto frigorigeno:
Macchina analoga, che usa lo stesso principio è la pompa di calore. La pompa di calore usa il suo lavoro W per far salire il calore Qh.
In questi casi si può ottenere una misura delle prestazioni di una pompa di calore specificando il rapporto tra il calore Qh erogato e il lavoro W necessario per erogarlo. Questo rapporto è detto coefficiente di effetto termico:
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