Appunti di Macchine e Sistemi Energetici - Lezione

Macchine e Sistemi Energetici

Macchine a fluido → Sistemi Energetici (impianti nei quali sono inserite le macchine)

Sistema Termodinamico

Sistema e ambiente possono interagire in modi diversi:

• Scambio di massa. Il sistema si dice chiuso se il confine è impermeabile alla stessa, altrimenti si dice aperto.
• Scambio di calore. Se il confine del sistema non permette scambi di calore, il sistema si dice adiabitico altrimenti si dice diatermico.
• Scambio di lavoro.

Un sistema che non scambia né calore, né massa, né lavoro si dice isolato.

Un sistema si può descrivere come omogeneo se le proprietà che lo descrivono godono di continuità fisica; in caso contrario si dice eterogeneo. Dal punto di vista fisico un sistema eterogeneo è visto come un insieme di sistemi omogenei.

Un sistema si dice monocomponente se è costituito da una sola specie chimica; altrimenti si dice multicomponente.

Un sistema si dice reattivo se le componenti del sistema possono reagire tra loro, altrimenti si dice non reagente. Ovviamente un sistema reattivo dev'essere multicomponente.

MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI

MACCHINE A FLUIDO ➔ SISTEMI ENERGETICI (Impianti nei quali sono inserite le macchine)

SISTEMA TERMODINAMICO

AMBIENTE

CONFINI DEL SISTEMA DETERMINA LE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA

Sistema e ambiente possono interagire in modi diversi:

• SCAMBIO DI MASSA. Il sistema si dice chiuso se il confine è impermeabile alla massa altrimenti si dice aperto.
• SCAMBIO DI CALORE. Se il confine del sistema non permette scambi di calore, il sistema si dice ADIABATICO altrimenti si dice DIATERMICO.
• SCAMBIO DI LAVORO.

Un sistema che non scambia né calore, né massa, né lavoro si dice ISOLATO.

Un sistema si può classificare come OMOGENEO se le proprietà che lo descrivono godono di continuità (continuità matematiche e fisica), in caso contrario si dice ETEROGENEO. Dal punto di vista fisico un sistema eterogeneo è visto come un insieme di sistemi omogenei.

Un sistema si dice MONOCOMPONENTE se è costituito da una sola specie chimica altrimenti si dice MULTICOMPONENTE.

Un sistema si dice REATIVO se le componenti del sistema possono reagire tra loro, altrimenti si dice NON REAGENTE. Ovviamente un sistema reattivo dev'essere multicomponente.

Stato del sistema

Viene definito secondo un certo set di variabili, dette variabili di stato: definisce la condizione del sistema in un determinato istante di tempo.

Le variabili di stato possono essere scalari (pressione, volume, temperatura) vettoriali o tensoriali.

Il passaggio tra due stati differenti si dice trasformazione. Una trasformazione può essere definita secondo stati intermedi, oppure il sistema può passare dallo stato iniziale a quello finale senza che sia possibile definire stati intermedi.

Esperienza di Joule

Supponiamo che lo stato del sistema possa essere descritto con due variabili di stato x₁ e x₂.

Il sistema ha subito una trasformazione ciclica. Si utilizza questa convenzione:

Q + L = 0

Lungo la stessa curva orientata

L_A-B + L_B-A = (Q_A-B + Q_B-A)

Se posso introdurre i due stati intermedi la variazione di energia non dipende pi dal percorso, ma solo da A e B stessi.

Q_A = L_A→B U(B) - U(A)

Q_B→A = L_B→A U(A) - U(B)

U = ENERGIA INTERNA

Trasformazione ciclica: L + Q = 0

generica: L + Q = ΔU

Posso pensare alla forma differenziale: dU = δL + δQ

Un fluido è in quiete quando presenta solo sforzi normali alla superficie.

Se il fluido non è soggetto a campi di forze, può scambiare lavoro

solo tramite forze di contatto.

dU = -pdV + δQ PER TRASFORMAZIONI QUASI-STATICHE

dU = δL + δQ = -pdV + δL_w + δQ_w PER UN SISTEMA FLUIDO GENERICO

Secondo principio della termodinamica

Non è possibile convertire integralmente il calore in lavoro.

L < Q_H

M = L/Q_H < 1 rendimento

Per una macchino ideale si ottiene Q_H/T_H → Q_C/T_C

sostituendo nel rendimento: M = Q_H - Q_C/Q_H = 1 - T_C/T_H caso ideale

M = 1 - T_C/T_H caso reale

Σ Q_i/T_i ≤ 0

∮δQ = 0

∫ dQ/T = {-∫(B→A)dQ/T}

∫A→B dQ/T = S(B) - S(A) → dS = δQ/T per trasformazioni quasi-statiche

δQ = TdS

dU = δL + δQ = -pdV + TdS vale sempre

dU = \left( \frac{\partial U}{\partial V} \right)_S dV + \left( \frac{\partial U}{\partial S} \right)_V dS

\left( \frac{\partial U}{\partial V} \right)_S = -P \quad \left( \frac{\partial U}{\partial S} \right)_V = T

dU = -PdV + TdS \Rightarrow dS = \frac{dU}{T} + \frac{P}{T} dV \quad