Appunti Fisica tecnica

FISICA TECNICA: DOMANDE ESAME

₁) ESPERIMENTO pvt:

Allo scopo di esaminare il comportamento di una sostanza pura si descrivono alcuni semplici esperimenti. Le proprietà p, v e T sono direttamente misurabili, e il v e la T sono sempre indipendenti tra loro.

• COMPORTAMENTO pvt- SOLIDO: si consideri una massa solida contenuta in un sistema cilindro-pistone e si supponga di riscaldare la sostanza isobaricamente con una trasformazione reversibile; il calore ceduto al sistema è pari all'incremento di entalpia, il che si manifesta con un aumento della temperatura e del volume.
• COMPORTAMENTO pvt- FUSIONE: somministrando ancora calore ha inizio il processo di fusione, ossia si manifesta la fase liquida e la temperatura resta costante. Sebbene p e T siano uniformi all'interno del sistema bifasico, le proprietà specifiche come la densità, presentano una discontinuità passando da una fase all'altra.
• COMPORTAMENTO pvt- LIQUIDO: un'ulteriore somministrazione di calore comporta la totale fase liquida e il calore fornito al sistema per il passaggio di fase è una misura dell'entalpia di fusione.
• COMPORTAMENTO pvt- VAPORIZZAZIONE: riscaldando ancora si ha un aumento della temperatura e del volume specifico fino a che non compare la fase aeriforme, ed ha inizio la vaporizzazione.
• COMPORTAMENTO pvt- AERIFORME: quando la sostanza è tutta aeriforme il suo volume è notevolmente maggiore di quello della fase liquida.

Ripetendo l'esperimento a diversi valori di pressione si osserva che i passaggi di fase avvengono a temperature differenti. Tenendo costante uno alla volta p, v e T si ottiene un grafico tridimensionale.

₂) PROPRIETA' DEI VAPORI:

Allo stato aeriforme le sostanze si presentano prive di una ben definita struttura molecolare, le molecole sono lontane, le forze intermolecolari sono deboli e le molecole, nel loro moto casuale danno luogo a urti tra esse e con le superfici del contenitore che le contiene.Il vapore si può presentare come:

• Vapore saturo, caratterizzato dall'esistenza di una miscela liquido-aeriforme (stato bifasico). Individuato all'interno della curva limite nella superficie caratteristica.
• Vapore surriscaldato, completamente aeriforme. Individuato a destra della curva limite superiore nella superficie di controllo per temperature inferiori a quella critica.

I vapori, a differenza dei gas, possono essere liquefatti per sola compressione.

In presenza di vapore non è possibile ricavare le proprietà mediante l'uso di una equazione di stato, infatti bisogna partire dalle proprietà che sono direttamente misurabili per poi calcolare tutte le altre.Le proprietà più facilmente misurabili sono volume e massa.Il volume V è pari a:

V = V_l + V_vss = m_lv_l + m_vssv_vss

il volume specifico v è dato dal rapporto:

v = ^V/_m = ^m_l/_m v_l + ^m_vss/_m v_vss

Si definisce come titolo del vapore la grandezza adimensionale, con valore variabile tra 0 e 1, indicata con x determinata dal seguente rapporto:

x = _mvss / m = _mvss / _ml + _mvss

Per il vapore saturo esiste, a ciascuna temperatura o pressione, una corrispondenza biunivoca tra volume specifico e titolo.

Avendo definito il titolo del vapore posso ora affermare:

v = (1 - x)v_l + x(v_vss - v_l)

Tutte le altre proprietà sono calcolate mediante le seguenti relazioni binomie:

• v = v_l + x(v_vss - v_l)
• u = u_l + x(u_vss - u_l)
• h = h_l + x(h_vss - h_l)
• s = s_l + x(s_vss - s_l)

PROPRIETA’ DEI GAS IDEALI:

Allo stato aeriforme le sostanza si presentano prive di una ben definita struttura molecolare, le molecole sono lontane, le forze intermolecolari sono deboli e le molecole, nel loro moto casuale danno luogo a urti tra esse e con le superfici del contenitore che le contiene.

Un gas ideale esiste in condizioni di rarefazione e di bassa densità.

L’equazione di stato del gas ideale è la seguente:

pv = RT

Dove:

• v è il volume specifico molare: (m³ kmol^-1)
• R è la costante universale dei gas: R = 8315 (J kmol^-1 K^-1)

Dividendo ambo i membri per il peso molecolare, M, si ottiene: pv = RT

R è ora la costante caratteristica del gas: (J kg^-1 K^-1)

R = 8315 / M

L’equazione di stato può essere scritta in una forma più generale:

pv / RT = z

z è il fattore di comprimibilità della sostanza

z = z(T_r, p_r)

Dove T_r e p_r sono rispettivamente temperatura ridotta e pressione ridotta:

T_r = T / T_c e p_r = p / p_c

8) Lavoro di elica o all'albero:

Il lavoro di elica è una tipica interazione energetica, come il lavoro, tra un sistema aperto e l'ambiente.

Si abbia un fluido in un condotto, a causa degli effetti viscosi e dell'attrito il fluido non può fluire per sua spontanea volontà, ma deve essere forzato da una macchina che compia lavoro sul fluido dall'esterno.

Tale macchina è costituita da un motore che mette in moto un'elica mediante un albero di trasmissione. L'elica è il mezzo col quale si trasmette l'energia meccanica dall'ambiente esterno al sistema, tale energia metterà poi in moto il fluido.

9) Primo principio della termodinamica per sistemi chiusi:

Sulla base di osservazioni sperimentali il primo principio della termodinamica afferma che: "l'energia non può ne essere creata ne essere distrutta, ma può solo cambiare forma".

Si definisce come sistema chiuso un sistema in cui è possibile lo scambio di energia ma non è possibile lo scambio di massa,

Per sistemi chiusi il primo principio della termodinamica è sintetizzato nella seguente equazione:

Q - L = ΔE_MC

Dove:

• Q = ∑_e |Q_e| - ∑_u |Q_u|
• L = ∑_u |L_u| - ∑_e |L_e |
• ΔE = E₂ - E₁

L'energia totale del sistema E è data dalla somma dell'energia esterna (energia cinetica + energia potenziale) ed energia interna, pertanto risulta essere pari a:

E = ¹/₂ m v² + mgz + U

Nel caso di un sistema chiuso fisso, non ci sono variazioni di energia cinetica e potenziale, pertanto molto spesso l'equazione del primo principio della termodinamica può essere scritta senza considerare l'apporto energetico esterno:

Q - L = ΔU_MC

Se anziché riferirsi al tempo prefissato Δθ si fa riferimento al tempo infinitesimo ∂θ si può ragionare in termini di potenze, il primo principio della termodinamica per sistemi chiusi si scriverà nella seguente forma:

Q̇ - L̇ = ^∂/_∂θ U_MC     [W]

Facendo riferimento alle grandezze specifiche e alle grandezze infinitesime si ottengono due ulteriori equazioni:

• q - l = Δu_MC
• δq - δl = du_MC

Per un processo ciclico in cui gli stati iniziale e finale coincidono si avrà: Q - L = 0