La seconda legge pone dei vincoli su come l’energia tende a ridistribuirsi in un sistema durante una trasformazione.
In particolare permette di:
- Predire quale sarà l’evoluzione spontanea di un sistema
- Stabilire la condizione di equilibrio ultimo del sistema
- Determinare il rendimento massimo teorico di un sistema termodinamico
- Definire una nuove proprietà dei sistemi termodinamici
Nonostante la seconda legge abbia carattere generale, non esiste una sua unica formulazione. Ne sono state fatte diverse formulazioni che si può dimostrare essere equivalenti, le più famose sono quella di Clausius e quella di Kelvin-Plank.
Enunciato di Clausius:
“Per un sistema termodinamico è impossibile operare in modo tale che il suo unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo ad un altro a temperatura più alta”
Questo enunciato può sembrare banale perché è esperienza comune che il calore fluisca spontaneamente da un corpo caldo verso uno a temperatura più bassa e non avviene mai il contrario. Ma l’enunciato non afferma che sia impossibile fare il contrario, purché, si faccia attenzione, “non sia l’unico risultato”. Ne sono un esempio i frigoriferi, essi raffreddano i cibi al loro interno, ma lo fanno a spese di energia fornita esternamente.
Enunciato di Kelvin-Plank:
“Per un sistema termodinamico è impossibile operare in modo tale che il suo unico risultato sia trasformare in lavoro il calore fornito da un’unica sorgente termica”
Questo enunciato può sembrare simile al precedente, ma è un po’ più complicato e bisogna prestare attenzione alle parole usate. In particolare alle parole “unico risultato” e “unica sorgente termica”.
Ad esempio, il vapore prodotto da una quantità d’acqua liquida messa a contatto con un corpo caldo, può essere usato per far girare una turbina ed ottenere lavoro. Ma ciò non sarà l’unico risultato: l’acqua trasformata in vapore non potrà più essere riportata completamente nelle condizioni iniziali di liquido se non posta a contatto con un’ulteriore sorgente termica più fredda.
Ovvero, la dicitura “unico risultato” è lo stesso che sottintendere che il sistema debba operare in maniera ciclica, cioè, che al termine della trasformazione nulla debba essere cambiato nel sistema e nulla debba essere cambiato nell’ambiente eccetto che la sottrazione di energia sotto forma di calore dalla singola sorgente e la sua ri-trasformazione in lavoro.
Da un semplice bilancio di energia, se ne deduce che un sistema che operi in tal modo, deve essere tale che la quantità di calore Q ceduta dalla singola sorgente sia interamente trasformata in lavoro utile L.
Q = L
Allora il precedente enunciato può anche essere espresso come:
“E’ impossibile effettuare una trasformazione ciclica tale che il suo unico risultato sia trasformare in lavoro il calore fornito da un’unica sorgente termica”
L’unica cosa possibile sarà l’inverso.
Enunciato del secondo principio dal punto di vista della disponibilità energetica:
In ogni processo reversibile l’exergia rimane costante, invece in un processo irreversibile parte dell’exergia si trasforma in anergia, ma l’anergia non può più essere riconvertita in exergia.
A questo punto è doveroso citare anche il primo principio dal punto di vista della disponibilità energetica:
In ogni trasformazione, la somma dell’exergia e dell’anergia è costante.