Calcolo del rendimento di Carnot

Questo strumento calcola il rendimento di Carnot, il massimo possibile per una macchina termica tra una sorgente calda e una fredda: η = 1 − Tc/Th, con le temperature in kelvin. Tra 750 K e 300 K vale il 60 %. Mostra anche i coefficienti di prestazione di un frigorifero e di una pompa di calore di Carnot e i calori scambiati per ciclo.

Fonte: OpenStax University Physics Volume 2, 4.5 The Carnot Cycle – e = 1 − Tc/Th (Eq. 4.5), K_R = Tc/(Th − Tc) (Eq. 4.6), K_P = Th/(Th − Tc) (Eq. 4.7), W = Qh − Qc, Carnot’s principle; Example 4.2 (e = 0.60, Tc = 300 K → Th = 750 K, W = 300 J → Qh = 500 J, Qc = 200 J), Example 4.3 (heat pump 0 °C/20 °C, 30.0 kJ → about 2 kJ) (read 10.10.2026). Aggiornato al: .

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Risultato

Rendimento di Carnot
Rendimento 60,0 % · COP frigorifero 0,67 · COP pompa di calore 1,67
Calcolo
GrandezzaValore
Sorgente calda Th750,00 K = 476,85 °C
Sorgente fredda Tc300,00 K = 26,85 °C
Rendimento η = 1 − Tc/Th1 − 300,00 ÷ 750,00 = 0,6000 = 60,0 %
Frigorifero K_R = Tc/(Th − Tc)300,00 ÷ (750,00 − 300,00) = 0,67
Pompa di calore K_P = Th/(Th − Tc)750,00 ÷ (750,00 − 300,00) = 1,67
Lavoro W300,00 J
Calore alla sorgente calda Qh500,00 J
Calore alla sorgente fredda Qc200,00 J
Calcolato per un ciclo di Carnot ideale e reversibile con T in kelvin (T = t + 273,15). Le macchine reali tra le stesse temperature rendono meno. Macchina: Qh = W/η, Qc = Qh − W.

Come si calcola

Il rendimento di Carnot è η = 1 − Tc/Th, dove Th e Tc sono le temperature assolute (in kelvin) della sorgente calda e di quella fredda. Il libro di testo OpenStax University Physics ricava questa formula per il ciclo di Carnot – due trasformazioni isoterme e due adiabatiche – ed enuncia il principio di Carnot: nessuna macchina che lavora tra due sorgenti a temperatura costante può avere un rendimento maggiore di una macchina reversibile. Il rendimento di Carnot è quindi un limite superiore, non il rendimento di una macchina reale.

Rendimento di Carnot per temperature tipiche

Calda (°C)Fredda (°C)Rendimento ηFrigorifero K_RPompa di calore K_P
100010070,7 %0,411,41
6003065,3 %0,531,53
4003055,0 %0,821,82
1002021,4 %3,664,66
3559,7 %9,2710,27
2508,4 %10,9311,93
2006,8 %13,6614,66

Le temperature vanno prima convertite in kelvin (T = t + 273,15): tra 400 °C e 30 °C, η = 1 − 303,15/673,15 = 0,550. L’esempio 4.2 di OpenStax procede al contrario: un rendimento di 0,60 con la sorgente fredda a 300 K richiede Th = 300 K : (1 − 0,60) = 750 K. Se questa macchina compie 300 J di lavoro per ciclo, preleva Qh = W/η = 500 J dalla sorgente calda e cede Qc = 500 J − 300 J = 200 J.

Frigorifero e pompa di calore

Percorso al contrario, il ciclo di Carnot è un frigorifero o una pompa di calore. I coefficienti di prestazione sono K_R = Tc/(Th − Tc) per il frigorifero e K_P = Th/(Th − Tc) per la pompa di calore; entrambi crescono quando le due temperature sono vicine. Nell’esempio 4.3 una pompa di calore di Carnot fornisce 30,0 kJ a una casa a 20 °C prelevando calore dall’aria esterna a 0 °C. Le serve W = 30 kJ × (293 K − 273 K)/293 K, che il libro arrotonda a 2 kJ; con 273,15 lo strumento dà 2,05 kJ. Più fa freddo fuori, più K_P è piccolo e più lavoro serve.

L’energia per scaldare l’acqua si trova con il calcolo della quantità di calore; lavoro ed energia cinetica sono nel calcolo dell’energia cinetica.

Domande frequenti

Qual è la formula del rendimento di Carnot?

η = 1 − Tc/Th, con Th e Tc le temperature della sorgente calda e di quella fredda in kelvin. Moltiplica per 100 per avere la percentuale.

Quanto vale il rendimento di Carnot tra 400 °C e 30 °C?

In kelvin: 673,15 K e 303,15 K. η = 1 − 303,15/673,15 = 0,550, cioè 55,0 %.

Perché bisogna usare i kelvin?

La formula usa il rapporto tra temperature assolute. Con i gradi Celsius il rapporto è sbagliato e una sorgente fredda a 0 °C darebbe il 100 %.

Una macchina reale può raggiungere il rendimento di Carnot?

No. Per il principio di Carnot nessuna macchina tra due sorgenti rende più di una reversibile; le macchine reali perdono energia e restano sotto il limite.

Qual è il COP di un frigorifero di Carnot?

K_R = Tc/(Th − Tc). Per un frigorifero tra 0 °C e 25 °C: 273,15/25 = 10,93. Una pompa di calore tra le stesse temperature arriva a K_P = Th/(Th − Tc) = 11,93.

Fonti e riferimenti normativi

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