Esercizi Fisica tecnica

Dipartimento di tecnica e gestione dei sistemi industriali

Università degli studi di Padova

Ingegneria Gestionale

Esercizi del corso di fisica tecnica

Termodinamica applicata

• Termodinamica dell’aria umida
• Trasmissione del calore (conduzione, scambio termico globale, radiazione)
• Convezione termica

Esercizio n°1

Si abbia una turbina a vapore della potenza di 300 kW. Essa sia alimentata da una portata di massa di vapore di 4000 kg/h. Nella turbina il vapore subisca una trasformazione adiabatica. Determinare la variazione di entalpia specifica del vapore tra le sezioni di imbocco e sbocco della turbina, essendo la velocità del vapore nella sezione di imbocco di 60 m/s e nella sezione di sbocco di 200 m/s. La sezione di sbocco si trovi ad una quota di 1,50 m inferiore a quella della sezione di imbocco.

Risultato: [-288 kJ/kg]

Esercizio n°2

Un cilindro pieno di gas è chiuso da un pistone e contiene un'elica che può essere azionata dall'esterno. Sia x la posizione del pistone ed F la forza esterna esercitata su di esso. Si considerino due processi (a) e (b). In entrambi si parte da x=0,2 m ed F=10 N e si arriva ad x=0,3 m con F costante durante tutto il processo.

Il processo (a) è adiabatico verso l'esterno e si spendono 250 J per agitare il gas con l'elica. Il processo (b) non è adiabatico e si spendono 350 J per far girare l'elica. Alla fine del processo lo stato del gas è lo stesso nei due casi.

Per ogni processo calcolare: il lavoro ed il calore globalmente scambiati dal sistema e la variazione di energia interna. Supponendo di non mettere in rotazione l'elica e di andare sempre dalla stessa situazione iniziale alla stessa situazione finale del caso (a), si domanda se il processo può essere adiabatico. Calcolare anche in questo caso il lavoro fatto dal sistema, il calore scambiato e la variazione di energia interna.

Risultato: [-150 J; 0 J; 150 J; -250 J; -100 J; 150 J; il processo non può essere adiabatico; 100 J; 250 J; 150 J]

Esercizio n°3

Un compressore comprime una portata W = 100 ft³/min di aria con volume specifico v=0,750 m³/kg. Il flusso di entalpia associato alla portata di aria aumenta tra ingresso ed uscita di 300 Btu/min. L'acqua di raffreddamento subisce un aumento di entalpia specifica pari a 10 Btu/lb e la sua portata specifica è di 2 kg_ac/kg_ar. Trascurando le variazioni di energia cinetica e potenziale e supponendo il sistema adiabatico attraverso l'esterno, determinare la potenza richiesta dal sistema; si esprima tale potenza in Btu/min, CV, kW.

Risultato: [-466,5 Btu/min; -8,2 kW; -11,16 CV]

Esercizio n°4

Si abbia la necessità di riscaldare dell’acqua dalla temperatura t_i =10 °C alla temperatura di utilizzo t_u =50 °C. Si calcoli il tempo necessario nel caso di un accumulo della capacità di 60 L e la portata d’acqua ottenibile nel riscaldamento istantaneo, avendo a disposizione una potenza elettrica di 2 kW nell’ipotesi di scaldabagno perfettamente isolato.

Risultato: [1,4 h; 0,0119 kg/s]

Esercizio n°5

Un recipiente a pareti isolanti in cui è stato fatto il vuoto viene posto in collegamento con una bombola di capacità molto grande rispetto a quella del recipiente. Nella bombola la pressione è p₀ =3500 mmHg e la temperatura è di 18 °C. Quando la pressione nel recipiente ha raggiunto il valore p₀ si interrompe il collegamento e si chiude ermeticamente il recipiente. Assumendo il gas come ideale con calori specifici caratteristici costanti (k=1,665) calcolare la temperatura finale del gas nel recipiente.

Risultato: [212 °C]

Esercizio n°6

Un piccolo compressore per aria ha le seguenti caratteristiche: pressione di aspirazione 1 ata; pressione di mandata 7 ata; alesaggio 40 mm, corsa 45 mm. Lo spazio nocivo sia del 5%. Il compressore gira a 400 giri/min e l'aria è aspirata a 15 °C. Se la compressione è politropica reversibile con esponente 1,25, calcolare la portata di massa, la potenza teorica di compressione ed il flusso termico scambiato (M_aria =28,97 kg/kmol).

Risultato: [1,31 kg/h; -71,6 W; -21,6 W]

Esercizio n°7

Si deve comprimere dell'aria da 1 a 10 ata. La temperatura di aspirazione sia di 20 °C. Calcolare il lavoro necessario per la compressione dell'aria nell'ipotesi di un'unica compressione adiabatica o di due compressioni adiabatiche in serie con refrigerazione intermedia in condizioni di minimo lavoro speso. Confrontare i risultati con il caso di compressione isoterma.

Nel caso in cui si attui una compressione sempre dalle stesse condizioni iniziali alla situazione finale di p=10 ata, sottraendo però del calore al compressore in modo che la temperatura finale di compressione sia T=450 K, si calcoli l'esponente della politropica seguita.

Risultato: [isot: -193,7 kJ/kg; adiab.: -274 kJ/kg; adiab. con inter.: -229,4 kJ/kg; 1,23]

Esercizio n°8

Una massa d'aria di 30 g è racchiusa alla temperatura di 15 °C in un cilindro verticale su cui grava uno stantuffo del peso di 150 kg e con diametro di 70 mm, oltre alla pressione atmosferica. Si suppone di portare l'aria a 40 °C. Qual è lo spostamento subito dallo stantuffo in conseguenza di questo innalzamento della temperatura?

Risultato: [0,116 m]

Esercizio n°9

Ci si propone di utilizzare l’energia solare per produrre potenza meccanica. Si pensa di effettuare questa trasformazione raccogliendo l’energia solare per mezzo di un collettore piano che la trasferisce come calore al fluido operativo di una macchina termica; questa, operando ciclicamente, scambia inoltre calore con l’aria atmosferica. A fronte di una potenza termica specifica pari q=200 Btu/(h ft²) fornita dal collettore alla temperatura T=190 °F, calcolare la minima area A del collettore richiesta per ottenere la potenza meccanica P=1 kW. Si assuma pari a T₀=70 °F la temperatura dell’aria atmosferica.

Risultato: [8,57 m²]

Esercizio n°10

Dell'ossigeno, supposto a comportamento ideale, con k=1,395 costante, evolve secondo un ciclo costituito dalle seguenti trasformazioni reversibili:

• Isobara AB (p_A=20,1 atm, V_A=0,692 m³, t_A=30 °C);
• Isocora BC (V_B=1,81 m³);
• Isoterma CA.

Determinare il rendimento del ciclo, il lavoro totale ottenibile per ciclo ed il rendimento del ciclo di Carnot tra gli stessi estremi di temperatura.

Risultato: [11,44%; 918 kJ; 61,7%]

Esercizio n°11

Un impianto opera con ciclo Rankine a semplice surriscaldamento con recupero termico parziale. Si considera isobara la trasformazione dell'acqua nel generatore, alla pressione di 60 ata; la temperatura di fine surriscaldamento è 510 °C. Il vapore si espande adiabaticamente nel corpo di alta pressione della turbina fino alla pressione di 10 ata, con rendimento isentropico di 0,80. Successivamente una parte del vapore viene...