Generazione di vapore

Punto triplo dell'acqua

È importante notare infine che le tre linee si incontrano in un punto univoco di valori di temperatura e di pressione in corrispondenza dei quali coesistono in equilibrio acqua, ghiaccio e vapore. Questo punto viene indicato con punto triplo dell'acqua (T=0,01°C; P=610,6 Pa).

NB: La pressione agisce in maniera inversa rispetto alla temperatura, un aumento di pressione favorisce i passaggi di stato da gas a liquido e da liquido a solido. Ricorda che pressione e volume sono inversamente proporzionali.

Diagramma di fase pressione/entalpia

Le trasformazioni termodinamiche dell'acqua (ma anche di altre sostanze pure) possono essere descritte anche in funzione della relazione tra la sua pressione e l'entalpia utilizzando un sistema di assi cartesiani che riporta sull'asse x i valori di entalpia e sull'asse y i valori di pressione in scala logaritmica. Otteniamo il diagramma di fase pressione/entalpia che consiste in una curva a campana che mostra le relazioni tra pressione, temperatura ed entalpia dell'acqua nelle sue diverse fasi. L'apice della curva corrisponde al punto critico al di sopra del quale la sostanza pura si trova allo stato gassoso.

La parte sinistra della curva è relativa alla curva del liquido saturo (100% liquido), mentre la parte destra descrive la curva del vapore saturo secco (vapore 100%). All'interno della curva a campana ogni posizione corrisponde a una situazione di miscela liquido-vapore saturo. La regione alla destra della curva del vapore saturo secco corrisponde al vapore surriscaldato. Al contrario, la zona a sinistra della curva del liquido saturo corrisponde al liquido sottoraffreddato.

Le linee orizzontali che si estendono per tutto il diagramma sono delle linee a pressione costante o isobare. Le linee a temperatura costante o isoterme, sono verticali nella zona del liquido sottoraffreddato, orizzontali nell’area al di sotto della curva a campana e discendenti nella zona del vapore surriscaldato. Le linee verticali che si estendono per tutto il diagramma sono delle linee a entalpia costante o isoentalpiche. Le linee con andamento crescente nella zona del vapore surriscaldato sono delle linee a entropia costante o isoentropiche.

NB: Sotto la curva isobare e isoterme coincidono.

Esempio di percorso ABCD

Come esempio si consideri il percorso ABCD:

• Punto A: Corrisponde ad acqua alla temperatura di 90°C e alla pressione di 0.1 MPa, l'entalpia dell'acqua è circa 375 kJ/kg (90°C; 0.1 MPa; 375 kJ/kg): liquido sottoraffreddato.
• Punto B: Nel momento in cui viene fornito calore all'acqua, la temperatura dell'acqua aumenta fino a raggiungere i 100°C in corrispondenza del punto B sulla curva del liquido saturo, l'entalpia dell'acqua satura al punto B è Hc che corrisponde sul grafico a 420 Kj/kg (100°C, 0.1 MPa; 420 kJ/kg): liquido saturo.
• Punto C: Un'ulteriore fornitura di energia termica (sotto forma di calore latente) causa il cambiamento di fase. Continuando a fornire calore al sistema si ottiene la trasformazione di una maggiore quantità di acqua da liquida a vapore. In corrispondenza del punto C tutta l'acqua si è trasformata in vapore, producendo in questo modo vapore saturo secco a 100°C, l'entalpia del vapore saturo secco al punto C è Hv che corrisponde a 2675 kJ/kg (100°C; 0.1 MPa; 2975 kJ/kg): vapore saturo secco.
• Punto D: Fornendo ulteriore energia termica si ottiene vapore surriscaldato alla stessa pressione ma a una temperatura superiore. Il punto D corrisponde a vapore surriscaldato a 200°C con un entalpia Hs corrispondente a 2850 kJ/kg (200°C; 0.1 MPa; 2850 kJ/kg): vapore surriscaldato.

Riepilogo

In sintesi: supponiamo che P sia costante e forniamo calore sensibile in modo da passare da liquido sottoraffreddato presente nel punto A a liquido saturo presente nel punto B; si ha sia un aumento di T e di H. Dal punto B in poi se si continua a fornire calore latente sempre più acqua si converte in vapore fino ad avere la formazione di solo vapore saturo secco presente nel punto C, in questo caso non si ha quindi un aumento di T ma si ha il passaggio di stato; il vapore al punto C ha T uguale al liquido nel punto B ma avrà un H molto più alta. L'alta H specifica del vapore nel punto C ci consente di utilizzarlo come fluido caldo, infatti il vapore saturo secco grazie al suo "shock termico" è in grado di sanificare in profondità e uccidere batteri e altri microrganismi. Continuando a fornire calore sensibile si passa da vapore saturo secco presente nel punto C a vapore surriscaldato presente nel punto D, in questo caso si ha sia un aumento di T che di H.

NB: Vapore saturo secco = assenza di acqua (qualità del vapore = 100%), vapore saturo (umido) = presenza di una certa percentuale di acqua (qualità del vapore < 100%).