Appunti di Fisica tecnica ambientale sulla termodinamica

Termodinamica

La termodinamica tratta le varie forme di energia, gli scambi di energia e di massa fra i sistemi, le trasformazioni da una forma all’altra di energia, l’effetto di queste trasformazioni sui sistemi termodinamici.

Sistemi e ambiente

Un sistema termodinamico è una porzione di spazio delimitata da una superficie di controllo, che può essere reale o immaginaria ed è necessaria per analizzare i flussi di energia e materia e definire il sistema all’interno di esso, mentre l’ambiente esterno è tutto quello fuori esso. Infine la superficie di controllo separa il sistema termodinamico dall’ambiente esterno.

Scambi energetici

• Calore: energia scambiata per differenza di temperatura.
• Lavoro: energia trasferita mediante forze che provocano spostamenti.

Sistemi termodinamici

Un sistema termodinamico può essere classificato in base alla sua interazione con ambiente esterno.

1. Sistemi chiusi: permettono scambi di energia, calore o lavoro, ma non di materia. Es. palloncino riscaldato che si espande o si contrae.
2. Sistemi aperti: permettono sia scambi di energia che di materia. Es. pentola scoperta sul fuoco.
3. Sistemi isolati: non scambiano né energia né materia. Es. ghermisce perfettamente sigillato.

Scambio di energia: calore o lavoro

Lo scambio di energia può avvenire sotto forma di calore o lavoro.

• Calore (Q): è energia trasferita tra sistemi a causa di una differenza di temperatura. Per convenzione: Q > 0: energia assorbita dal sistema; Q < 0: energia rilasciata dal sistema.
• Lavoro (L): è energia trasferita mediante spostamenti dovuti a forze applicate. È positivo se esce dal sistema.

Variabili di stato

• Estensive: dipendono dalla quantità di materia nel sistema, come massa, volume, energia interna.
• Intensive: non dipendono dalla quantità di materia, come temperatura, pressione.

Equilibrio del sistema termodinamico

Un sistema viene detto in equilibrio termodinamico quando non ci sono variazioni spontanee di proprietà macroscopiche e si ottiene quando:

• Equilibrio meccanico: le forze sono bilanciate, con pressione uniforme.
• Equilibrio termico: la temperatura è uniforme.
• Equilibrio chimico: non ci sono reazioni chimiche o variazioni nella composizione.

Esistono relazioni analitiche che legano le variabili fra di loro -> Equazioni di Stato.

Temperatura

La temperatura è una variabile di stato intensiva che rappresenta l’energia cinetica posseduta dalle molecole che compongono il sistema. La temperatura si misura per via indiretta, misurando le variazioni di una grandezza che dipende da questa.

Nella sua forma più semplice si usa un termometro. Le variazioni di volume del liquido dovute a variazioni di temperatura sono determinate mediante lettura dell’altezza della colonna.

Scale termiche

• Celsius (C): basata su fenomeni naturali: 0 gradi è il punto di fusione del ghiaccio e 100 l’ebollizione dell’acqua alla pressione di 1 atm.
• Kelvin (K): scala assoluta usata in scienza. Lo zero corrisponde alla temperatura -273.15 C: minima teorica, zero assoluto.
• Fahrenheit (F): utilizzata principalmente in USA e presenta una relazione con il Celsius.

Altre variabili di stato

Entalpia (H)

H = U + p * V [J]

Definita come dove P è la pressione e V il volume. È utile per analizzare i processi a pressione costante. Rappresenta l’energia totale per creare un sistema.

Si misura in joule ed è utile per il calcolo di calore scambiato.

Energia interna (U)

È la somma delle energie microscopiche, cinetiche e potenziali, delle particelle del sistema. Non include energia associata al movimento o alla posizione macroscopica del sistema. È una variabile estensiva, dipende da massa e quantità di sostanza, e non dipende dal percorso della trasformazione.

Entalpia specifica

Rappresenta l’energia interna contenuta per unità di massa e dipende solo dallo stato termodinamico e non dalla quantità totale del sistema.

Calore

Il calore è una forma di energia che viene scambiata fra due corpi a causa della differenza di temperatura. Questo viene trasferito spontaneamente da regioni a temperatura maggiore verso quelle a temperatura minore.

Misurato sempre in modo indiretto attraverso variazioni di temperatura, lo strumento per misurarlo è chiamato calorimetro e l’unità utilizzata è la kilocaloria, definita come la quantità di calore fornita a 1 kg di acqua distillata a pressione di 1 atm per innalzare la temperatura di 1 grado.

Il calore è energia e viene misurato in Joule: 1 kcal = 4,184 kJ.

Nonostante il loro stretto legame, sono utilizzati per descrivere come un materiale o il sistema risponde al calore.

Capacità termica (C)

Misura la quantità di calore per aumentare di un grado la temperatura di un corpo intero e dipende dalla grandezza del sistema e dalla massa appunto.

Calore specifico (c)

Misura la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un kg di sostanza, e non dipende dalla massa ma dalla natura del materiale.

Lavoro termodinamico

Il lavoro è l’energia associata a un processo che provoca uno spostamento o una deformazione nel sistema.

• Per un processo reversibile, dove P è la pressione e V il volume.
• Nei processi irreversibili, bisogna includere fattori di dissipazione come il lavoro delle forze d’attrito.

Primo principio della termodinamica

È una formulazione del principio di conservazione dell’energia applicata ai sistemi termodinamici. Esso afferma che l’energia totale di un sistema isolato rimane costante e si può trasferire o trasformare appunto tra calore e lavoro.

La variazione di energia è uguale alla somma del calore scambiato con l’ambiente e il lavoro compiuto.

Sistemi chiusi

Per un sistema chiuso si intende un sistema che non scambia materia con l’esterno, mentre la variazione di energia interna U è uguale alla differenza tra il calore fornito al sistema Q e il lavoro L compiuto dal sistema.

Sistemi aperti (regime stazionario)

Nei sistemi aperti che scambiano materia con l’esterno, come delle turbine ad esempio, il calcolo energetico include il flusso di energia associato alla massa che entra ed esce dal sistema. In regime stazionario il bilancio energetico si esprime in termini di entalpia.

Secondo principio della termodinamica

Il secondo principio della termodinamica stabilisce che non tutte le trasformazioni che rispettano il primo principio possono avvenire spontaneamente e non tutte sono reversibili. Introduce concetti quali:

• Direzionalità dei processi: ad esempio, un corpo caldo cederà calore a un corpo freddo ma non il contrario.
• Qualità dell’energia: non tutta l’energia è completamente convertibile in lavoro. Durante ogni trasformazione, una parte dell’energia si degrada in una forma meno utilizzabile.

Enunciati di Kelvin Planck e Clausius

1. Non è possibile costruire una macchina termica che, operando ciclicamente, trasformi completamente il calore ricevuto in lavoro. Una parte del calore deve essere scartata nel pozzo termico. Es. un motore termico converte parte dell’energia fornita in lavoro ma una porzione significativa viene dissipata come calore residuo.
2. È impossibile trasferire calore da un corpo freddo a uno caldo senza l’intervento di lavoro esterno. Es. un frigo funziona solo con energia fornita da un compressore.

Serbatoi di energia termica

Un serbatoio termico è un sistema ideale con capacità termica infinita, capace di assorbire o cedere quantità illimitate di calore senza cambiare effettivamente temperatura.

• Sorgenti termiche: forniscono calore come una caldaia o il sole.
• Pozzi termici: assorbono calore come l’atmosfera o l’oceano.

Motori termici

Il lavoro può essere interamente convertito in calore, mentre per convertire il calore in lavoro utile c’è bisogno dei così detti motori termici.

1. Ricevono calore da una sorgente ad alta temperatura.
2. Convertono parte di questo calore in lavoro.
3. Cedono la parte di calore ricevuto rimanente ad un pozzo a bassa temperatura.
4. Funzionano secondo un ciclo.
5. Sfruttano un fluido al quale e dal quale il calore viene trasferito per il compimento del ciclo termodinamico.

Motore a vapore

Il sistema di produzione del lavoro che meglio si adatta alla definizione di motore termico è l’impianto motore a vapore. Sfrutta il vapore acqueo come fluido di lavoro.

1. Una caldaia riscalda l’acqua generando vapore ad alta pressione.
2. Il vapore si espande in un cilindro o una turbina girando un rotore, trasformando energia termica in lavoro meccanico.
3. Il vapore esausto viene raffreddato in un condensatore e torna allo stato liquido.
4. Riparte il ciclo.

Macchine frigorifere

Le macchine frigorifere prendono calore da un ambiente a bassa temperatura e lo trasferiscono ad una temperatura superiore. Processo possibile solo grazie all’energia fornita dall’esterno.

1. Il fluido entra in forma liquida a bassa temperatura e pressione, assorbe calore dall’interno evaporando in un evaporatore.
2. Un compressore aumenta la pressione e la temperatura del fluido refrigerante. Ora è un gas caldo ad alta energia.
3. Il fluido cede calore all’ambiente esterno e si condensa tornando a stato liquido ad alta pressione in un condensatore.
4. Il fluido passa a una zona di bassa pressione.
5. Pressione e temperatura crollano e il fluido è pronto a evaporare e ricominciare il ciclo.

Pompe di calore

L’apparecchiatura che trasferisce calore da un ambiente a bassa temperatura ad uno ad alta temperatura è detta pompa di calore. Lavora secondo lo stesso ciclo termodinamico della macchina frigorifera ma in senso opposto, cioè prende calore da una sorgente a bassa temperatura e pompato è ceduto all’ambiente con temperatura più alta.

Macchine termiche

Una macchina termica è un dispositivo che converte parte dell’energia termica in lavoro utile seguendo un ciclo termodinamico:

• Ricevere calore (Qin) da una sorgente ad alta temperatura.
• Conversione parziale del calore in lavoro (L).
• Scarica di calore residuo (Qout) in un pozzo a bassa temperatura.

Rendimento termico

Il rendimento termico di una macchina termica misura l’efficienza con cui converte calore in lavoro.

Ciclo di Carnot

Rappresenta il limite teorico del rendimento: nessuna macchina può superare il rendimento di Carnot.

Nel caso di motori termici può essere convertita in lavoro una quantità maggiore di calore se essa è fornita ad alta temperatura.

Nel caso di frigoriferi e pompe i valori di effetto frigorifero specifico e COP aumentano all’aumentare della temperatura T2.

Nelle macchine frigorifere o di una pompa di calore serve a calcolare il coefficiente massimo teorico, mentre di base è l’ideale teorico di qualsiasi macchina termica, un modello massimo di efficienza o prestazione che nessuna macchina pu