Appunti corso Fisica tecnica ambientale: termodinamica e psicometria

INIZIALE FINALE

Q

U U

iniz fin

L 54

Si è osservato sperimentalmente che nel caso di una trasformazione ciclica dove lo stato termodinamico iniziale coincide

con quello finale, la quantità di calore scambiata, presa con il suo segno, è pari al lavoro effettuato, preso con il suo segno.

Q=L

Per la spiegazione sui segni vedi esempio pg. 80 e 81 Walker.

Il primo principio sulla base di osservazioni sperimentali afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma può

solo cambiare forma. Rappresenta il principio di conservazione dell’energia e non si riconosce alcun processo in natura che

lo abbia violato.

Si distingue una forma valida per i sistemi termodinamici chiusi e aperti.

Per un sistema chiuso e per una trasformazione aperta (non ciclica) si ha che:

Q-L = ∆E

Dove E = energia totale del sistema (meccanica, magnetica, elettrica, interna, ecc.).

= + + + …

∆E ∆Em ∆Eel ∆U

Nel caso frequente in cui le variazioni di tutte le forme di energia del sistema siano trascurabili, avrò:

Q-L = ∆U

Nel caso di assenza di lavoro, avrò:

Q=∆U 55

°

1 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA

SISTEMI APERTI (regime stazionario)

Per un sistema

- soggetto a scambi di massa con l’esterno (sistema aperto),

non soggetto ad effetti magnetici, elettrici o gravitazionali o

- cinetici e non sede di reazioni chimiche,

in regime stazionario

-

 l’entalpia uscente (H ), meno l’entalpia entrante (H ) è

u e

uguale al calore fornito al sistema (Q), meno il lavoro all’asse

compiuto dal sistema sull’ambiente esterno (L ).

a ( )

− = − =  −  =  −

Q L H H m h m h m h h

a u e u u e e u e

In termini istantanei si ottiene: ( )

 

− =  −  =  −

  

Q L m h m h m h h

a u u e e u e

L

a m · h

u u

 Q

m · h

e e 55

°

2 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA

Il primo principio della termodinamica è il principio di

conservazione dell’energia e non è mai stato

contraddetto in una trasformazione termodinamica.

Tuttavia la soddisfazione del primo principio di per sé

non assicura che la trasformazione avvenga

realmente.

Il secondo principio stabilisce delle impossibilità, cioè

le trasformazioni avvengono secondo un certo verso

nella realtà.

Definisce anche la qualità dell’energia e il suo degrado

a seguito di una trasformazione, e i limiti teorici per le

prestazioni delle macchine termiche.

Fornire calore ad

Una tazza di caffè un’elica non ne

caldo non si riscalda causa la rotazione

in un ambiente più

freddo 56

Quando lasciamo una tazza di caffè caldo in un ambiente più freddo, finisce per raffreddarsi. E questa trasformazione soddisfa

il IPT cioè la quantità di energia termica persa dal caffè, viene acquisita dall’ambiente. E’ però esperienza comune che non si

verifica mai il contrario, cioè il caffè non si riscalda in un ambiente più freddo. Si raffredda solo. Eppure questa trasformazione

non violerebbe il IPT.

Lo stesso nel caso di un’elica che gira grazie alla caduta di un grave. L’energia potenziale del grave diminuisce e l’energia

interna del fluido aumenta. Ma il grave non si alzerebbe se noi fornissimo calore dal fluido all’elica. Anche se non violeremmo

il IPT. 58

°

2 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA

Per affrontare lo studio del secondo principio della

termodinamica è utile definire il concetto di «serbatoio

di energia termica» come corpo di capacità termica

relativamente grande in grado di fornire o assorbire

una qualsiasi quantità finita di calore senza subire

alcuna variazione di temperatura.

In pratica, gli oceani, i laghi, i fiumi, l’atmosfera

possono essere considerati serbatoi di energia

termica.

I serbatoi di energia termica che forniscono energia

sotto forma di calore sono anche detti sorgenti,

mentre quelli che lo assorbono sono detti pozzi. 57

Le sorgenti (o i pozzi) sono corpi con grade capacità termica in grado di fornire o assorbire calore senza subire variazioni di

temperatura. Es: oceani, laghi, fiumi, aria atmosferica. 60

°

2 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA

Il primo principio della termodinamica stabilisce

l’equivalenza concettuale tra calore e lavoro, ma

non vieta:

la conversione completa del calore in lavoro;

• il passaggio spontaneo di calore da corpi a

• temperatura più bassa a corpi a temperatura più

elevata.

Il secondo principio della termodinamica essere

enunciato in due diversi modi tra loro equivalenti:

secondo l’enunciato di Kelvin-Planck, è impossibile

• costruire una macchina operante secondo un

processo ciclico, il cui unico effetto sia quello di

sottrarre calore ad una sorgente a temperatura

costante e trasformarlo integralmente in lavoro

secondo l’enunciato di Clausius, è impossibile

• costruire una macchina operante secondo un

processo ciclico, il cui unico effetto sia quello di

trasferire calore da un corpo a temperatura più

bassa a un corpo a temperatura più alta 58

Il secondo principio può essere enunciato in due diversi modi:

di Kelvin-Planck

•Enunciato di Clausius

•Enunciato

Il primo e il secondo principio della termodinamica trovano applicazione nelle macchine termiche. Esse possono essere

schematizzate come un sistema termodinamico che fa trasformazioni cicliche e che scambia calore (Q1 e Q2) con due sorgenti

a temperatura T1 e T2, con T1>T2. 62

MACCHINE TERMICHE

L L

Motore termico Macchina frigorifera

Pompa di calore 59

Sono sistemi che operano ciclicamente e scambiano calore con due sorgenti a temperatura T1 e T2.

Le macchine termiche a ciclo diretto sono utilizzate per fornire lavoro all’esterno. L’energia meccanica può essere trasformata

in energia elettrica tramite una dinamo o un alternatore.

Ricevono calore Q1 dalla sorgente a temperatura T1, convertono parte di questo calore in lavoro L e cedono la parte rimanente

alla sorgente a temperatura T2.

Sono i motori a combustione (a benzina o Diesel), le turbine a gas, le turbine a vapore, ecc.

Le macchine termiche a ciclo inverso sono utilizzate per sottrarre calore a una sorgente fredda (macchina frigorifera) o fornirlo

ad una sorgente calda (pompa di calore).

Ricevono calore Q2 dalla sorgente a temperatura T2, assorbono lavoro L dall’esterno e cedono l’energia ricevuta sotto forma di

calore Q1 alla sorgente a temperatura T1.

Sono i frigoriferi, i condizionatori d’aria e le pompe di calore. Il condizionatore è un frigorifero nel quale il serbatoio freddo a

temperatura T2 è la stanza che deve essere raffreddata. La pompa di calore sottrae calore dall’esterno freddo per riscaldare

l’interno. La pompa di calore è un condizionatore in cui i serbatoi interno ed esterno sono stati scambiati. Esempi pg. 104 T

Walker. 64

°

2 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA

Il lavoro può essere interamente convertito in calore,

mentre per convertire il calore in lavoro c’è bisogno di

dispositivi appositamente progettati, detti motori

termici. Il lavoro può Motori termici:

essere interamente 1. Ricevono calore da una sorgente ad

convertito in alta temperatura (collettori solari,

calore, mentre non bruciatori alimentati da combustibili

è vero il contrario fossili, reattori nucleari, ecc.)

2. Convertono parte di questo calore in

lavoro (principalmente sotto forma di

rotazione di un albero)

Parte del calore 3. Cedono la parte del calore ricevuto

fornito a un rimanente ad un pozzo a bassa

motore termico temperatura (atmosfera, fiumi, laghi,

viene convertita in mare, ecc.)

L lavoro; la parte

n,out 4. Funzionano secondo un ciclo

restante viene 5. Sfruttano un fluido al quale e dal

scaricata verso un quale il calore viene trasferito per il

pozzo. 60

compimento del ciclo termodinamico.

Il lavoro dell’elica, convertito in energia interna dell’acqua, finisce per essere ceduto sotto forma di calore all’ambiente

lavoro può essere interamente convertito in

circostante, ma è impossibile fornire calore all’acqua per fare ruotare l’elica. Quindi il

calore, mentre per convertire il calore in lavoro c’è bisogno di dispositivi appositamente progettati, detti motori termici.

Essi differiscono notevolmente l’uno dall’altro ma sono caratterizzati dal fatto che:

1. Ricevono calore da una sorgente ad alta temperatura (collettori solari, bruciatori alimentati da combustibili fossili, reattori

nucleari, ecc.)

2. Convertono parte di questo calore in lavoro (principalmente sotto forma di rotazione di un albero)

3. Cedono la parte del calore ricevuto rimanente ad un pozzo a bassa temperatura (atmosfera, fiumi, laghi, mare, ecc.)

4. Funzionano secondo un ciclo

5. Sfruttano un fluido al aule e dal quale il calore viene trasferito per il compimento del ciclo termodinamico.

Il sistema di produzione di lavoro che meglio si adatta alla definizione di motore termico è l’ »impianto motore a vapore».

66

°

2 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA

Il sistema di produzione di lavoro che meglio si adatta

alla definizione di motore termico è l’impianto motore a

vapore. L

L out

in –

L = L L (kJ)

n,out out in

Q = quantità di calore fornita al vapore da una sorgente ad

in

alta temperatura

= lavoro fornito dall’espansione del vapore in turbina

L

out

Q = quantità di calore ceduta dal vapore nel condensatore a

out

un pozzo a bassa temperatura

= lavoro richiesto per portare l’acqua alla pressione di

L

in 61

regime della caldaia

Il sistema di produzione di lavoro che meglio si adatta alla definizione di motore termico è l’ impianto motore a vapore.

= quantità di calore fornita al vapore da una sorgente ad alta temperatura

Q in

Q = quantità di calore ceduta dal vapore nel condensatore a un pozzo a bassa temperatura

out

L = lavoro fornito dall’espansione del vapore in turbina

out

L = lavoro richiesto per portare l’acqua alla pressione di regime della caldaia

in

In alcuni motori il vapore viene semplicemente disperso nell’atmosfera dopo la sua espansione. Motori più elaborati inviano il

vapore già utilizzato a un condensatore dove viene raffreddato e riportato allo stato liquido, e quindi rimandato alla caldaia.

68

°

2 PRINCIPIO DELLA

TERMODINAMICA