DOMANDE E RISPOSTE DI TERMODINAMICA

DOMANDE E RISPOSTE DI TERMODINAMICA
1) Classificazione dei sistemi termodinamici
Esistono tre tipi principali di sistemi termodinamici: aperto,
chiuso e isolato.
Un sistema si dice aperto se consente un flusso con
l'ambiente esterno, sia di massa sia di energia (tramite calore
e/o lavoro e/o altra forma di energia), attraverso il suo
confine; un esempio di sistema aperto è una piscina piena
d'acqua, in cui l'acqua può entrare o uscire dalla piscina e
può essere riscaldata da un sistema di riscaldamento e
raffreddata dal vento;
Un sistema si dice chiuso se consente un flusso di energia
con l'ambiente esterno, attraverso il suo confine, (tramite
calore e/o lavoro e/o altra forma di energia), ma non di
massa; ne è un esempio una bombola tenuta chiusa da una
valvola, che può scaldarsi o raffreddarsi ma non perde
massa (mentre la stessa bombola si comporta da sistema
aperto se apriamo la valvola);
Un sistema si dice adiabatico quando non scambia calore
con l'ambiente;
Inoltre, un sistema si dice isolato se non permette un
flusso né di energia né di massa con l'ambiente esterno.
Il calore è positivo in ingresso e negativo in uscita, viceversa il lavoro.
2) Il lavoro ed il diagramma p-v
Il lavoro è rappresentato dall’area del ciclo nel piano p-v
Verso orario: L>0
3) Primo principio della termodinamica - esperimento
Il primo principio della termodinamica (anche detto, per estensione, legge di conservazione
dell'energia) è un assunto fondamentale della teoria della termodinamica.
Alla base del primo principio sta
l'equivalenza tra calore e lavoro. Tale
equivalenza fu dimostrata da Joule attraverso
un esperimento nel quale trasferiva energia
meccanica al sistema tramite la caduta di un
peso accoppiato meccanicamente ad un
albero alto verticale tramite una corda che lo
avvolge nella sua parte superiore mentre nella
parte inferiore sono infisse delle pale,
disposte a raggiera, con i loro piani paralleli
all'asse di rotazione dell'albero ed immerse in
un liquido contenuto in un recipiente
adiabatico. Risultato dell'esperienza fu
l'aumento della temperatura del liquido.
Dimostrando così che l'energia potenziale del
peso, in caduta frenata dal liquido che si
opponeva alla sua variazione di quiete
provocata dalla rotazione delle pale, si trasferiva in buona parte al liquido frenante aumentandone la
temperatura, sviluppando un lavoro termico.
Il primo principio della termodinamica si può esprimere come l'impossibilità del moto perpetuo di
prima specie a causa della presenza degli attriti.
4) Primo principio della termodinamica – teoria
Facendo riferimento all'energia per una trasformazione completa, e non alla potenza, e considerando
E come energia interna del volume considerato (EVC = U) il bilancio energetico si può scrivere
come:
ovvero in termini riferiti all'unità di massa (J/kg)
Cioè, la variazione di energia interna ΔU di un qualsiasi sistema termodinamico
corrisponde alla differenza delle quantità di calore Q e lavoro L forniti al sistema.
In questa trattazione, Q è riferito al sistema, mentre L è riferito all'ambiente, vale a dire: L positivo
quando è ceduto dal sistema all'ambiente, Q positivo quando è ceduto dall'ambiente al sistema (le
convenzioni di segno per questa scrittura sono illustrate in figura).
5) Entalpia ed energia interna
L'entalpia, solitamente indicata con H, è una funzione di stato che esprime la quantità di energia che
un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente. L'entalpia è definita dalla somma
dell'energia interna e del prodotto tra volume e pressione di un sistema.
Per le trasformazioni che avvengono a pressione costante in cui si ha solo lavoro di tipo meccanico
la variazione di entalpia è uguale al calore scambiato dal sistema con l'ambiente esterno.
Per le trasformazioni che avvengono sia a pressione che a volume costanti, la variazione di entalpia
coincide sia col calore (Q) che con la variazione di energia interna (ΔU) che si è avuta durante il
processo.
L'entalpia H si misura in joule, nel Sistema internazionale, oppure in calorie.
L'entalpia massica h si misura in joule/chilogrammo (J/kg) nel Sistema internazionale.
A causa del fatto che non è possibile conoscere il valore assoluto dell'energia interna di un sistema o
di una sostanza, si può misurare solo la variazione di entalpia, ΔH, durante una determinata
trasformazione e non il suo valore assoluto.
6) Definizione di entalpia
H=U+pV
dove U è l'energia interna del sistema, p la sua pressione e V il suo volume. L'entalpia risulta
pertanto una grandezza termodinamica estensiva.
7) Secondo principio della termodinamica
Il secondo principio della termodinamica è un principio della termodinamica classica. Questo
principio tiene conto del carattere di irreversibilità di molti eventi termodinamici, quali ad esempio
il passaggio di calore da un corpo caldo ad un corpo freddo. A differenza di altre leggi fisiche quali
la legge di gravitazione universale o le equazioni di Maxwell, il secondo principio è
fondamentalmente legato alla freccia del tempo.
Esso possiede diverse formulazioni equivalenti, delle quali una si fonda sull'introduzione di una
funzione di stato, l'entropia: in questo caso il secondo principio asserisce che l'entropia di un
sistema isolato lontano dall'equilibrio termico tende a salire nel tempo, finché l'equilibrio non è
raggiunto.
Esistono molte formulazioni equivalenti di questo principio.
Quelle che storicamente si sono rivelate più importanti sono:
È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un
corpo più freddo a uno più caldo (formulazione di Clausius).
È impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la trasformazione in
lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea (formulazione di Kelvin-Planck).
Non è possibile - nemmeno in linea di principio - realizzare una macchina termica il cui rendimento
sia pari al 100%.
Nella fisica moderna però la formulazione più ampiamente usata è quella che si basa sulla funzione
entropia:
In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo.
Questo principio ha avuto, da un punto di vista storico, un impatto notevole. Infatti implicitamente
sancisce l'impossibilità di realizzare il moto perpetuo cosiddetto di seconda specie
Definizione:
8) Rendimento
In una conversione di energia il rendimento termodinamico o efficienza termodinamica è il rapporto
tra il lavoro compiuto e l'energia fornita al sistema (Qass, energia assorbita da parte del sistema
dall'ambiente esterno verso l'interno del sistema):
SEMPRE MINORE OD AL MASSIMO UGUALE AD 1!!!!
Il rendimento è espresso come valore compreso tra zero e uno o sotto forma di percentuale.
9) Equazione di stato dei gas perfetti
L'equazione di stato dei gas perfetti, nota anche come legge dei gas perfetti, descrive le condizioni
fisiche di un "gas perfetto" o di un gas "ideale", correlandone le funzioni di stato: quantità di
sostanza, pressione, volume e temperatura.
Pv=RT
dove p è la pressione in N/m2, , v il volume specifico in m3/kg, T la temperatura in K (Kelvin) ed R
la costante del gas in esame in J/(kg K)
10) Le principali trasformazioni dei gas perfetti
Saper rappresentare sui piani studiati durante l'anno (es: p-v, h-s, etc) le varie trasformazioni
termodinamiche che sono:
Trasformazione isobara: pressione costante
Trasformazione isocora: volume costante
Trasformazione isoterma: temperatura costante
Trasformazione isoentalpica: entalpia costante
Trasformazione isoentropica: entropia costante
La trasformazione adiabatica isoentropica è governata dalla formula:
p vk = costante
Tale formula viene utilizzata per la compressione e l'espansione nel ciclo ideale del motore a
combustione interna.
11) Vapore
Il vapore è uno stato fisico della materia, definibile come stato aeriforme a temperatura inferiore
alla propria temperatura critica. Nel linguaggio comune, vapore è utilizzato come sinonimo di
vapore acqueo, anche detto vapore
d'acqua.
Prendiamo come esempio di una
sostanza solida, un cubo di ghiaccio.
Se forniamo calore a pressione esterna
costante, notiamo che dopo un certo
periodo di tempo, il cubo aumenta la
sua temperatura ed inizierà a
sciogliersi passando allo stato liquido.
Tale processo si chiama fusione e la
temperatura costante in cui si verifica
viene detta punto normale di fusione.
La quantità di calore che deve essere
fornita affinché il passaggio di stato sia completo viene detta calore latente di fusione.
Per ogni passaggio di stato si assiste allo stesso evento, e si avranno dunque un punto normale ed un
calore latente di ebollizione per ogni passaggio di stato. Se si prende in considerazione un
andamento progressivo dallo stato solido allo stato gassoso, si otterrà una curva di riscaldamento
con le seguenti modalità.
12) Il diagramma di Mollier
Il diagramma di Mollier (o diagramma entalpia-entropia o diagramma h-s) è un grafico che
rappresenta la relazione tra entalpia e entropia di una sostanza. È particolarmente usato il
diagramma di Mollier dell'acqua, che ne rappresenta l'entalpia e l'entropia in funzione del volume,
della pressione e della temperatura.
Saper determinare le caratteristiche termodinamiche di un punto qualsiasi sul diagramma di Mollier.
13) Cicli termodinamici
Il motore a combustione interna o motore endotermico è un particolare motore termico nel quale
avviene la combustione di una miscela composta da un carburante (benzina) o un combustibile
(gasolio, metano, GPL, cherosene ...) e un comburente (aria) all'interno di una camera di
combustione, i quali vengono immessi tramite un impianto d'alimentazione. Il calore prodotto è
trasformato in lavoro meccanico, mentre il prodotto della combustione è espulso attraverso un
impianto di scarico.
SAPER RAPPRESENTARE E DESCRIVERE IL CICLO BENZINA E DIESEL IDEALE
SUL PIANO p,v !!!!!!!!!!!!!!!!!!
14) Ciclo della turbina a vapore ( Rankine )
Ciclo di Rankine in un diagramma T-S
Il ciclo di Rankine è un ciclo termodinamico
diretto a vapore composto da due
trasformazioni adiabatiche e due isobare.
Questo ciclo è adottato principalmente, nella
maggior parte dei casi, nelle centrali
termoelettriche per la produzione di energia
elettrica con turbine a vapore.
E' indispensabile per gli apparati motori ad
energia nucleare (centrali di produzione
elettrica, sottomarini e portaerei).
Un indubbio vantaggio, analogo a tutti i
sistemi di generazione esotermica, è il fatto
che la sorgente di calore non è legata
strettamente ad un combustibile specifico (la
combustione è esterna al motore)
SAPER RAPPRESENTARE SUL DIAGRAMMA DI MOLLIER LA TRASFORMAZIONE
IDEALE E REALE IN TURBINA DATO IL RENDIMENTO ISOENTROPICO DELLA
STESSA

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