Macchine - Esercizi

Esercizi di autoverifica sui bilanci energetici delle macchine

1. Una massa di 300 g di aria (c_p = 1,005 kJ/kg K; c_v = 0,718 kJ/kg K) occupa in un cilindro, alla pressione di 140 kPa, un volume di 0,16 m³. Essa viene compressa reversibilmente fino alla pressione di 1400 kPa con legge pV^1,25 = cost. Valutare il calore ed il lavoro in gioco e la variazione di energia interna.

2. Un compressore dinamico comprime adiabaticamente aria secca (R = 0,287 kJ/kg K; c_p = 1,005 kJ/kg K; k = 1,4) a partire dalla pressione di 100 kPa e temperatura di 288 K. In uscita si misurano una pressione di 700 kPa ed una temperatura di 555 K. Determinare il rendimento del compressore.

3. Aria secca (R = 0,287 kJ/kg K; c_p = 1,005 kJ/kg K; k = 1,4) espande adiabaticamente in una turbina, dalla pressione di 800 kPa e temperatura di 1000 K, fino alla pressione di 150 kPa e temperatura di 700 K. Valutare il rendimento della macchina.

4. Vapore d’acqua, dalla pressione di 16 MPa e titolo 0,9, viene portato, a pressione costante, fino alla temperatura di 400 °C. Determinare, con l’ausilio del piano di Mollier o delle tabelle del vapore, il calore fornito a ciascun kg di fluido e la variazione dell’entropia.

5. Uno studioso afferma di avere realizzato in un impianto motore un ciclo termodinamico che, assorbendo 2000 kJ da una fonte di calore esterna e restituendo all’ambiente 600 kJ, produce un lavoro utile pari a 1400 kJ. Esprimere un giudizio sulla veridicità e plausibilità di tale affermazione.

6. A partire dalla definizione del rendimento globale di un impianto motore termico, illustrare la catena delle trasformazioni intermedie e dei rendimenti; effettuare un confronto tra i rendimenti limite di un impianto motore termico e di un impianto idraulico; illustrare le modalità di misura.

7. Analizzare, su di un conveniente piano termodinamico, la compressione di un gas perfetto in una macchina a flusso continuo in regime permanente, descrivere l’effetto di controrecupero, e ricavare le espressioni dei lavori e dei rendimenti.

8. Analizzare, su di un conveniente piano termodinamico, l’espansione di un gas perfetto in una macchina a flusso continuo in regime permanente, descrivere l’effetto di recupero, e ricavare le espressioni dei lavori e dei rendimenti.

9. Illustrare la possibilità di puntualizzazione dei limiti imposti dal 2° principio della termodinamica nella "conversione" di calore in lavoro, operata mediante l’evoluzione ciclica di un fluido.

10. Tracciare il grafico del rendimento del ciclo di Carnot, a partire dal valore di temperatura minima di 27 °C, ed esaminare se "il ciclo di Carnot" è o meno un "ciclo di elevato rendimento"; calcolare il valore di η_c per la temperatura massima di 400 °C.