Risposte alle domande di esame Fisica tecnica

Fisica tecnica

Cap1 - Termodinamica applicata e dell'aria umida

Scopi della termodinamica:

• Convertire energia termica in energia meccanica (più versatile e utilizzabile).
• Trasferire energia dai corpi più freddi a quelli più caldi (processo non spontaneo).

Cicli diretti a vapore e di sistemi motori a vapore.

Cicli diretti a gas di sistemi motori a gas.

Cap2P1

Sistema termodinamico

Un sistema termodinamico è qualsiasi porzione di spazio o di materia scelta arbitrariamente il cui confine è definito da una superficie di controllo (barriere fisiche, pareti, ma anche pareti fittizie, messe per delimitare lo studio a una certa zona).

Ambiente esterno: con cui interagisce il sistema termodinamico, quindi influenza il sistema.

Termodinamica: studio dei vari movimenti energetici.

(a) Sistema cilindro-pistone con pareti fisiche: sistema termodinamico chiuso (no scambio di massa, scambio solo di energia); per avere uno scambio di lavoro almeno una superficie deve essere mobile, se tutte invece sono rigide non si può avere scambio di energia meccanica; massa costante (invariante, approccio della massa di controllo, una volta stabilita non varia mai), volume variabile (perché una parete è mobile).

(b) Divergente (o turbina con tratteggio) con pareti fittizie: sistema termodinamico aperto (oltre a poter scambiare calore e lavoro, scambia anche massa); volume costante (invariante, approccio del volume di controllo), massa variabile; n ingressi, m uscite. Superficie di controllo: tratteggiata.

Un sistema isolato: non scambia massa, non scambia energia, pareti rigide, non scambia calore ed energia.

La migliore descrizione del sistema termodinamico è quella fatta attraverso le proprietà fisiche del fluido che lo compone (pressione, volume specifico o densità, proprietà elettriche come conduttività, proprietà ottiche come indice di rifrazione).

Sostanza pura: la formula chimica è quella, indipendentemente dallo stato.

Quando tutte le proprietà misurabili di un sistema hanno un valore fisso e immutabile e quindi il sistema stesso può essere caratterizzato da un insieme ben definito di parametri numerici, ciascuno preso con la sua unità di misura, si dice che il sistema è in uno stato termodinamico. L'insieme di parametri del sistema definiti in uno specifico stato termodinamico costituiscono le proprietà del sistema o le coordinate termodinamiche o le sue grandezze di stato.

Vanno considerate le proprietà indipendenti, escludendo quelle proprietà che sono mutuamente legate (esempio: densità e volume specifico, ne basta solo una tra le due). Il legame funzionale tra le proprietà indipendenti e quelle dipendenti prende il nome di equazione di stato ed è determinata sperimentalmente partendo da dati di comportamento misurati in laboratorio.

Lo stato termodinamico presuppone che il sistema si trovi in condizioni di equilibrio, ovvero che non si hanno scambi con l'ambiente esterno, è in equilibrio se non è possibile il passaggio spontaneo ad un altro stato senza che si abbia una modificazione spontanea anche nello stato dell'ambiente esterno. Si ha equilibrio termodinamico quando il sistema è completamente in:

• Equilibrio termico: temperatura uniforme e uguale sia nel sistema che nell'ambiente esterno;
• Equilibrio meccanico: pressione uniforme nel sistema (si trascura l'effetto della gravità);
• Equilibrio di fase: in un sistema multifase non si ha la tendenza al passaggio da una fase all'altra;
• Equilibrio chimico: quando la composizione chimica del sistema non varia, non si hanno reazioni chimiche né fenomeni di diffusione di specie chimiche da un punto all'altro di sistema (spontanee o indotte).

Una proprietà acquisisce senso e significato solo quando il sistema è in equilibrio.

Grandezze di stato e di scambio

Grandezza di stato: indica come le proprietà siano direttamente correlate con lo stato termodinamico.

Grandezza di scambio: definita nel passaggio da uno stato di equilibrio ad un altro. Il sistema è in divenire, sta subendo un processo di trasformazione (calore e lavoro).

Una proprietà può essere misurata direttamente (p, T, d) o può essere ricavata da quelle direttamente misurabili attraverso le relazioni introdotte con le equazioni di stato (energia interna, entalpia, entropia). Una combinazione lineare di proprietà è ancora una proprietà.

Proprietà estensive: proporzionali o relazionabili alla massa (massa, volume, energia interna), può essere divisa per la massa per essere specifica relativa a quella proprietà estensiva.

Proprietà intensive: hanno un valore indipendente dalla massa (temperatura, pressione, densità, concentrazione chimica, velocità).

Ripercussioni matematiche sul comportamento rispetto alle loro derivate delle grandezze di stato.

T = T(p,V) dz = M • dx + N • dy, dove M e N possono essere costanti o in funzione di x e y.

Differenziale esatto dal punto di vista fisico

• Il valore dell'integrale dalla posizione 1 alla posizione 2 di dz è indipendente dal percorso 1-2: ∫₁² dz = z₂ - z₁ = Δz (è una differenza)
• La circuitazione è nulla (percorso ciclico): ∫₀ dz = 0, in un percorso ciclico lo stato termodinamico iniziale e quello finale coincidono, la variazione della proprietà, che dipende unicamente dallo stato iniziale e dallo stato finale, è pari a zero.
• La funzione (z) può venire determinata soltanto a meno di una costante additiva.

Trasformazione: definita solo dallo stato iniziale e dallo stato finale.

Processo: definito anche dal percorso fatto.

Trasformazione quasi-statica

Il processo avviene attraverso una successione continua di stati di equilibrio vicinissimi tra loro.

Cap2P2

È un’astrazione, infatti una trasformazione quasi-statica avrebbe bisogno di tempi infiniti per passare attraverso stati di equilibrio successivi uno all’altro.

Trasformazioni reversibili

Un processo è reversibile se è possibile riportare sia il sistema che l’ambiente esterno esattamente alle stesse condizioni iniziali. Più la trasformazione avviene in tempi più dilatati, più aumenta il concetto di reversibile. Un processo reversibile deve essere reversibile sia internamente (che avviene nel sistema termodinamico) che esternamente (ciò che viene indotto nell’ambiente esterno dal sistema termodinamico).

Processo più lungo se la differenza di temperatura è piccola: per ottenere trasformazioni quasi-statiche si riduce il più possibile la differenza di temperatura (ΔT che tende a 0), ma allo stesso tempo se la differenza di temperatura è piccola non si può avere scambio termico.

I fattori che fanno discostare dall’idealità il processo sono: la differenza di temperatura, legata alla repentinità del processo, scambio termico più accentuato, effetti dissipativi (attrito o resistenza elettrica, che diminuiscono la capacità di un sistema di scambiare lavoro con l’ambiente esterno). Un processo reversibile deve essere per forza quasi-statico, mentre un processo quasi-statico può anche non essere reversibile.

Piano termodinamico

È un qualsiasi piano cartesiano le cui coordinate siano rappresentate da grandezze di stato. Il comportamento di un sistema può essere rappresentato su un piano termodinamico solo se il comportamento del sistema può essere descritto attraverso le sue proprietà. Ciò è possibile solo se il sistema si trova in condizioni di equilibrio. Poiché una trasformazione quasi-statica reversibile che unisca gli stati 1 e 2 è una successione di stati di equilibrio, essa può essere rappresentata da una linea continua sul piano termodinamico. La linea continua prende il nome di cammino della trasformazione. Una trasformazione irreversibile, invece, non può essere rappresentata su un piano termodinamico.

Trasformazione ciclica o ciclo termodinamico: ha origine in un punto di equilibrio 1 e fine in punto di equilibrio 2 che coincide con 1.

Equazione di bilancio di una proprietà estensiva

Identificare il sistema termodinamico, identificare la proprietà estensiva (P) di cui si vuole costruire il bilancio, fissare il tempo durante il quale si vuole osservare il sistema (Δt).

• A primo membro tutte le quantità che contribuiscono ad accrescere il contenuto di (P) nel sistema: quantità di (P) in entrata nel sistema, quantità di (P) generata nel sistema.
• A secondo membro tutte le quantità che contribuiscono a diminuire il contenuto di (P) nel sistema, più la differenza di contenuto nel tempo di osservazione che dà conto della variazione di (P): quantità di (P) in uscita dal sistema, quantità di (P) distrutta nel sistema, variazione del contenuto di (P) nel sistema durante il tempo di osservazione, spesso indicato come termine di accumulo (massa introdotta - massa che non viene fatta uscire).

Viene applicata alla massa (bilancio di massa), all’entalpia (1 principio della termodinamica, bilancio di energia), all’entropia (2 principio della termodinamico, bilancio di entropia).

Equazione di bilancio di una proprietà estensiva: permette di tirare fuori una legge matematica, a partire dal tracciamento di un processo in un diagramma; per costruirla si identifica il sistema termodinamico, si identifica la proprietà estensiva P, di cui si vuole costruire il bilancio, si fissa il tempo durante il quale si vuole osservare il sistema Δt. A primo membro tutte le quantità che contribuiscono ad accrescere il contenuto di P nel sistema (quantità in entrata e generata nel sistema); a secondo membro tutte le quantità che contribuiscono a diminuire il contenuto di P nel sistema, più differenze di contenuto nel tempo di osservazione che dà conto della variazione di P (in uscita, distrutta o distrutta nel sistema, variazione del contenuto di P detto termine di accumulo).

Equazione di bilancio della massa: in assenza di fenomeni relativistici, la massa è una grandezza conservativa, cioè non si crea e non si distrugge. Studio del sistema aperto con l’approccio del volume di controllo (VC), perché la massa potrebbe accumularsi all’interno ma il volume rimane lo stesso.

Portata massica: massa che fluisce nel sistema nell’unità di tempo.

Portata volumetrica: volume di fluido che fluisce nel sistema nell’unità di tempo. In generale la portata volumetrica non è costante, rimane costante solo nel caso di fluido la cui densità sia costante (fluidi incomprimibili, liquidi). Ne segue che se il fluido è un liquido e la sezione del condotto è costante, anche la velocità di attraversamento è costante.

Regime stazionario: quando la derivata fatta rispetto al tempo di una qualsiasi grandezza (x) caratterizzante il sistema è nulla, ovvero è invariante rispetto al tempo.

Flusso monodimensionale: propagazione, moto principale individuabile da una sola coordinata o direzione.

Principio zero della termodinamica: se due sistemi sono in equilibrio con un terzo sistema, allora i due sistemi sono in equilibrio anche tra loro.

Cap3P1

Postulato di stato

Permette di capire dato un sistema quante variabili si devono conoscere per seguirlo punto per punto, sapere come evolve e dove va a finire.

L’energia all’interfaccia tra sistema e ambiente viene trasferita mediante calore (scambio energetico che può essere riferito a una differenza di temperatura tra sistema e ambiente esterno) e lavoro (scambio energetico che non ha a che fare con una differenza di temperatura). Lo scambio di lavoro può avvenire attraverso n modalità, mentre lo scambio di calore avviene attraverso un’unica modalità. Le proprietà indipendenti sono legate alle modalità di scambio energetico.

Postulato di stato: il numero di proprietà interne, intensive, indipendenti, necessario a definire lo stato di un sistema a un componente chimico è pari a uno (calore) più il numero di modi in cui esso può significativamente scambiare lavoro reversibile.

Sistema semplice: quando c’è solo un modo significativo per scambiare lavoro reversibile. Per un sistema semplice sono due le proprietà indipendenti necessarie a fissare lo stato del sistema. Comprimibili, elastici, elettrici, magnetici. Per un sistema semplice comprimibile sono assenti o marginali gli effetti magnetici, elettrici, gravitazionali, legati alle forze d’inerzia e alle forze superficiali. Qualora questi effetti debbano essere considerati, aumenta il numero delle proprietà necessarie a identificare lo stato. Lo stato intensivo di un sistema semplice comprimibile è determinato da due proprietà intensive indipendenti, le restanti proprietà possono essere calcolate con opportune correlazioni matematiche, note come equazioni di stato.

Acqua e R134A (per cicli frigoriferi).

Esperimento PVT: si considera un sistema cilindro-pistone che può scambiare energia con l'ambiente esterno mediante due modi: calore o lavoro mediante espansione. Nel tempo si prendono e monitorano i dati che si ottengono dall'esperienza. Si considera una sostanza inizialmente allo stato solido. Si fornisce calore dall'esterno a pressione costante: la sostanza si riscalda a pressione costante, mentre temperatura e volume aumenteranno secondo determinate condizioni. Continuando a riscaldare si arriva alla fusione, in cui sperimentalmente si osserva che nel momento in cui avviene la fusione, il volume specifico aumenta in maniera significativa, mentre la temperatura si arresta, fino a che l’ultima particella di solido non si scioglie. L'energia termica che si sta continuando a fornire è calore latente e si occupa di rompere i legami che caratterizzano lo stato solido, ben diverso dal calore sensibile. Continuando a scaldare, si osserva che il volume specifico tende ad aumentare ancora in maniera più significativa rispetto a quanto faceva allo stato solido e la temperatura riprende a crescere. Si arriva al secondo passaggio di stato, da liquido a vapore: situazione analoga nel momento in cui avviene l’evaporazione, il liquido diventa vapore, si ha un calore latente quantitativamente superiore rispetto a quello che si aveva durante il passaggio da solido a liquido, cresce il volume specifico e cresce la temperatura. Il diagramma costruito prendendo passo per passo i dati vale esclusivamente per il valore scelto di pressione mantenuta poi costante, così come vale per la stessa sostanza.

Superficie caratteristica: rappresenta tutti gli stati di equilibrio di un sistema semplice a un componente, divide lo spazio secondo i vari stati della materia. L’equazione della superficie è detta equazione di stato.

• CM: curva limite inferiore o curva dei liquidi saturi: il liquido è arrivato a cottura, fornendo energia ulteriore avviene il passaggio di stato (no aumento T), è saturo di energia termica;
• CN: curva limite superiore o curva dei vapori saturi secchi: il vapore nei punti rossi rispetto al vapore che si trova durante il passaggio di stato ha le stesse caratteristiche ma ha terminato il passaggio di stato, non ha più la parte umida, ovvero il liquido.
• MN: linea del punto triplo, coesistenza di solido, liquido, vapore allo stesso momento, è zerovariante.

Vapore surriscaldato: si trova alla destra della linea rossa, si trova a temperatura maggiore di quella di saturazione (alla quale avviene il passaggio di stato). La condizione di vapore surriscaldato è la condizione di un vapore che si trova a una pressione inferiore rispetto alla pressione di saturazione per la temperatura in cui sta operando.

Liquido sottoraffreddato o compresso: si trova a una temperatura inferiore rispetto alla temperatura di saturazione per la pressione a cui si sta lavorando. Allo stesso modo si può dire che è un liquido che sta a pressione più alta rispetto la pressione di saturazione alla temperatura in cui si sta operando.

Punto critico: sperimentalmente si osserva che ripetendo l’esperimento cilindro-pistone a pressione più alta la zona liquido-vapore tende a diminuire, fino ad arrivare a un punto in cui le condizioni di vapore saturo secco coincidono con quelle del liquido saturo. È caratteristico per ogni sostanza ma a valori diversi. I valori della pressione, della temperatura, del volume al punto critico (in cui si annulla la differenza tra il volume del liquido saturo e quello del vapore saturo secco) vengono detti critici.

Regola delle fasi o di Gibbs: V = 3 - F (varianza: parametri indipendenti necessari a descrivere lo stato; numero di fasi).

Cap3P2

Diagrammi pT e pV

Diagramma pT: si perdono tutte le informazioni riguardo il passaggio liquido-vapore.

Diagramma pV (Clapeyron): curva di Helius:

• CA: curva inferiore o dei liquidi saturi.
• CB: curva superiore o del vapore saturo secco.
• A destra di CB c'è vapore surriscaldato.
• A sinistra di CA c'è il liquido sottoraffreddato o compresso.
• Sotto la campana c'è il vapore saturo (miscela).

Titolo di vapore (unità relativa): è un rapporto tra la massa di vapore saturo secco (quantitativo evaporizzato) presente nella miscela e la massa totale della miscela (vapore+liquido). 0 < x < 1.

Un'unica equazione di stato che descriva tutti gli stati di esistenza di una sostanza (in pratica la superficie caratteristica) è complicata. Si preferisce semplificare l'equazione di stato restringendo il suo valore a delle zone ben definite della superficie caratteristica, di interesse per la tecnica. Per sostanze monofasiche gassose a bassi valori della densità (cioè a bassa pressione e/o alta temperatura) la legge di Boyle stabilisce che in condizioni di temperatura...