Teoria e formulario Fisica tecnica

Proprietà dei fluidi

Viscosità dinamica (Pa*s): μ = esprime la resistenza al moto del fluido, in funzione della temperatura.

Viscosità cinematica (m^2 / s): ν = μ / ρ (dove ρ è la densità del fluido).

Nei liquidi la viscosità diminuisce all'aumentare della temperatura, mentre nel gas avviene il contrario.

Numero di Reynolds (Re = (w*D)/v): in base al valore possiamo sapere se il moto del fluido in un condotto è di tipo:

• Laminare (Re < 2200): il deflusso ha un carattere ordinato e avviene secondo linee di corrente che non si mescolano tra di loro.
• Turbolento (Re > 4000): il deflusso ha un carattere disordinato, con mescolamento tra le diverse porzioni di fluido.

Propulsore (pompa, ventilatore): il suo rendimento è il rapporto tra la potenza ideale fornita dal fluido e la potenza elettrica consumata dal propulsore.

Turbina idraulica: il suo rendimento è il rapporto tra la potenza elettrica ottenuta e la potenza ideale fornita dal fluido.

Camino a tiraggio naturale: funziona...

Grazie a gradiente di temperatura nel campo gravitazionale.

IPOTESI:

• Tratto di entrata dell'aria (1A) <<< altezza del camino (AB)
• Sezione di ingresso dell'aria (1) molto grande, con relativa assunzione di w1=0
• ρ1 e T1 uniformi nel tratto AB all'interno del camino
• ρ2 e T2 uniformi all'esterno del camino
• Discontinuità di temperatura ma non di pressione alla base del camino
• p1 = p + ρ gHatm ep2 = patm (aggiungo + ghe se è camino a tiraggio forzato)

SOSTANZE PURE: sostanza la cui composizione chimica non varia in tutta la massa presa in considerazione. Può essere un unico elemento (acqua, Elio, ossigeno...) ma anche una miscela omogenea di più elementi (aria secca)

Fase solida: distanze tra le molecole piccole e forze di coesione elevate: molecole disposte secondo una struttura ordinata detta reticolo cristallino. Le molecole non possono muoversi l'una rispetto all'altra ma oscillano intorno alla posizione

di equilibrio, con una velocità che dipende dalla temperatura

Fase liquida: Le distanze tra le molecole non sono molto diverse da quelle nella fase solida, ma le forze di coesione sono più piccole: gruppi di molecole sono liberi di muoversi l'uno rispetto all'altro. Un liquido occupa un volume definito, assumendo la forma del recipiente che lo contiene e presentando superfici libere.

Fase aeriforme: Le molecole sono molto distanti tra loro e le forze intermolecolari sono praticamente nulle: le molecole si muovono casualmente urtando l'una contro l'altra e contro le pareti del recipiente che le contiene. Un aeriforme occupa per intero il volume del recipiente in cui è contenuto.

Sostanza pura = fluido termodinamico = può essere definito da due grandezze di stato termodinamiche tra loro indipendenti

Nelle sostanze pure si sciolgono il volume specifico e la temperatura, ci sono indipendenti tra loro, e la pressione determinata in funzione di esse mediante

L'equazione di stato: p = p(v,T) —> il grafico di questa funzione è una superficie nello spazio nota come diagramma di stato: Tutti i punti del diagramma di stato rappresentano stati di equilibrio. Particolari curve delimitano diverse regioni corrispondenti alle fasi in cui si trova la sostanza.

- Regioni monofase: sono superfici curve dove le proprietà p,v,T sono a due a due indipendenti

- Regioni bifase: Caratterizzate dalla coesistenza in equilibrio di due fasi della sostanza. Sono superfici cilindriche perpendicolari al piano p-T, pressione e temperatura non sono indipendenti

- Linee di saturazione: separano le regioni monofase da quelle bifase, ogni punto su di esse rappresenta uno stato di saturazione

- Isoterma critica: curva a temperatura costante passante per il punto critico. Quando una sostanza si trova a temperatura maggiore rispetto la temperatura critica si trova sempre in fase aeriforme:

- gas: sostanza in fase aeriforme a T maggiore della T critica

- vapore:

sostanza in fase aeriforme a T inferiore alla T critica- linea del punto triplo: coesistenza in equilibrio delle tre fasi. Gli stati termodinamici sulla linea del punto triplo hanno la stessa pressione ptr e la stessa temperatura Ttr, ma differenti volumi specifici. 1) Fase liquida-fase vapore: la curva che separa queste due zone è detta curva di vaporizzazione-condensazione: - vaporizzazione: passaggio di fase da liquido a vapore - condensazione: passaggio di fase da vapore a liquido 2) Fase solida - fase liquida: la curva che separa queste due zone è detta curva di fusione-solidificazione - Fusione: passaggio di fase da solido a liquido - Solidificazione: passaggio di fase da liquido a solido 3) Fase solida-fase vapore: la curva che separa queste due zone è detta curva di disublimazione. (Se la sostanza si trova a pressione superiore a quella del punto triplo questo passaggio avviene prima con fusione e poi vaporizzazione; se ha pressione minore del punto triplo, avviene direttamente con disublimazione)

Il triplo avviene direttamente attraverso:

- Sublimazione: passaggio di fase da solido a vapore e viceversa.

MACCHINA TERMICA Dispositivo in cui un fluido, scambiano energia sotto forma di calore e lavoro con l'esterno, esegue una trasformazione ciclica

MACCHINA TERMICA A CICLO DIRETTO: (Enunciato di Kelvin-Planck: impossibile costruire una macchina termica ciclo diretto monotermodiabatica, affinché essa possa funzionare deve scambiare calore con almeno due sorgenti termiche)

Motore termico: ha come scopo la conversione di calore in lavoro.

Rendimento: effetto utile rapportato alle risorse impiegate: rapporto tra energia ottenuta e calore speso.

La macchina termica può essere considerato come un:

- sistema chiuso: (Q - L = ΔU)

- funzionante secondo un ciclo: (ΔU = 0)

Il lavoro prodotto quindi dal sistema risulta essere: L = Q1 + Q2

Il rendimento è calcolato come η = L/Q

Può quindi essere espresso anche come σ = (-Q1/T2) - (Q2/T1)

(traccia termodinamica) esprime il grado di irreversibilità del processo ciclico: Σ(Q / T) + σ 0 )e =Q2 = -T2 * [(Q1/T1) + δζe] Sostituendo nella formula del rendimento otteniamo: In caso di trasformazioni reversibili σ = 0 (cioè produzione entropica nulla e quindi massima efficienza): Rendimento massimo: nelle trasformazioni reversibili (ideale) sempre comunque < 0: η = 1 - T2/T1 —> il rendimento dipende solo dalla temperatura, il ciclo che si realizza è detto ciclo di Carnot e T1 e T2 sono le temperature a cui avvengono le due trasformazioni isoterme. Il Lavoro, come si vede nel piano T-S aumenta al diminuire di T2, tuttavia non bisogna mai portare T2 < T ambiente poiché bisognerebbe far lavorare una macchina inversa (cella frigorifera) che utilizzerebbe energia. Quindi —> η = 1 - T /T1max a MACCHINA TERMICA A CICLO INVERSO: Opera un trasferimento di calore da una sorgente termica ad un'altra.

temperatura più elevata, ènecessario consumare lavoro. (Enunciato di Clausius: impossibile costruire una macchina termica ciclo inverso il cui unico effetto sia il trasferimento di calore da una sorgente termica ad un’altra temperatura più elevata, affinché questo accada deve essere effettuata durante il ciclo un’adeguata azione compensatrice, Per esempio l’applicazione di lavoro meccanico)

Macchina frigorifera: ha come scopo quello di sottrarre calore alla sorgente a temperatura inferiore. Efficienza: COP = Q2 / L = T2 / ( T1 - T2 ) —> calore utile sottratto alla sorgente T2 / energia spesa

Pompa di calore: se ha come scopo quello di fornire calore alla sorgente a temperatura superiore. Efficienza: COP = Q1 / L = T2 / ( T1 - T2 ) —> calore utile fornito alla sorgente T1 / energia spesa

T1 e T2 = temperature a cui avvengono le trasformazioni isoterma del ciclo di Carnot inverso

Fluido refrigerante: E’ il fluido di lavoro nel ciclo

inverso:1) Nell'evaporatore: il fluido refrigerante evapora a causa del calore sottratto alla sorgente fredda 2) Nel compressore: viene fornito il lavoro meccanico 3) Condensatore: il fluido refrigerante condensa cedendo calore alla sorgente calda 4) Valvola di laminazione: viene ridotta la pressione del fluido introducendo una perdita di carico con una valvola/ostruzione Esistono numerosi fluidi frigorigeni utilizzabili nelle applicazioni di climatizzazione di tipo naturale (come l'ammoniaca e l'anidride carbonica) o di sintesi (refrigeranti HFC). Un refrigerante deve soddisfare diversi requisiti: 1) buone caratteristiche termodinamiche: - Elevata temperatura critica, molto al di sopra delle temperature di condensazione che si realizzano nei cicli stessi; questa circostanza è necessaria per aumentare il COP. - Bassa temperatura di solidificazione, per non solidificare durante il loro impiego nell'impianto. - Elevato calore di vaporizzazione, che si traduce in un elevato

effetto frigorifero perunità di massa.

2) stabilità chimica nelle condizioni di utilizzo:

• Composizione chimica stabile,
• Non devono reagire con i materiali con cui vengono a contatto,
• Devono avere bassa tendenza ad assorbire acqua onde evitare fenomeni dicorrosione.

3) sicurezza e bassa tossicità:

• Si richiede che i fluidi frigoriferi non siano tossici per l'organismo umano
• non siano irritanti per la pelle, gli occhi e gli organi dell'apparato respiratorio
• non siano infiammabili a contatto con l'aria.

TRASMISSIONE DEL CALORE

Il calore è quella forma di energia che si trasmette a causa di una differenza di temperatura.

- Il 1º principio della termodinamica afferma che il calore, come il lavoro, è una forma di energia.

- Il 2º principio della termodinamica afferma che il calore si trasmette spontaneamente nella direzione delle temperature decrescenti.

> Mediante la termodinamica è possibile determinare la quantità di calore scambiata ( Q= m*c* (T2

T1)) da un sistema termodinamico che esegue una trasformazione tra due stati di equilibrio.

Mediante la trasmissione del calore, descrivendo la modalità con cui si realizza lo scambio di energia termica, è possibile determinare la rapidità con cui il calore viene scambiato, ovvero il flusso termico. Può avvenire secondo 3 diversi meccanismi:

1. La conduzione termica è il trasferimento di energia termica che si verifica all'interno di corpi solidi o fluidi in quiete. Il calore si trasmette per contatto diretto tra le particelle (atomi o molecole) che costituiscono la materia.
2. La convezione termica è il trasferimento di energia termica che si verifica tra una superficie solida e un fluido in movimento. Il calore viene trasportato dal fluido in movimento attraverso il moto delle sue particelle.