Fisica Tecnica - Fondamenti di termodinamica, di psicrometria e di acustica ed esercizi d'esame risolti

FISICA TECNICA

Teoria & Esercizi

Settore: ING-IND/10

UNIMOREUniversità degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Filippo RibesNOTEWAVE_RF

Autore degli appunti: Filippo Ribes

Gli appunti sono stati scritti sulla base delle lezioni svolte dal Professor Alessandro Mauro Corticelli e delle sue dispense.

Per dubbi, chiarimenti o altro, mi trovi su Instagram:

• ig: NoteWave_RF
• ig: fil_ribes

N.B.

Le quantità di lavoro formate dal sistema sono positive, quelle ricevute dal sistema negative. Inoltre:

• L > 0 lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente;
• L < 0 lavoro compiuto dall'ambiente sul sistema.

Il lavoro dipende sia dagli estremi che dal percorso.

Potenza

I = F . v _potenza

[W] = [ML²T^-3]

dL/dt potenza

Quando una interazione tipo lavoro implica la presenza di una forza osservabile [W]

Il punto sta a simboleggiare il trasferimento di una quantità fisica nell'unità di tempo.

• 1 W = 1 J.s = 1 kg.m².s^-3
• 1 J = 1 kg.m².s^-2

• ξ momento _[Nm]
• w velocità angolare _[rad/sec]
• Δ differenza di potenziale _[V]
• i intensità di corrente _[A]

L = ξ. w

L = ξ. i

Lavoro di espansione/compressione

È il lavoro eseguito da un sistema fluido alla pressione p mediante una variazione del volume V del sistema

dL = p dx = p dV

dV è positivo quando il volume aumenta (espansione).

Il lavoro compiuto in corrispondenza del contorno mobile è positivo quando il fluido si espande. In caso di compressione dV è negativo e il lavoro è negativo.

Il lavoro corrispondente ad una variazione di volume da V₁ a V₂ si ottiene da:

∞ = ∫_V1 ^V2 p dV

Processi non quasi-statici

Nel cilindro del motore di un'automobile, la combustione e altri fenomeni che avvengono in condizioni non quandre dinamico e disuniformità all'interno del cilindro

Durante ciascun ciclo, si ha una quantità netta di energia scambiata dal sistema con l'ambiente sotto forma di lavoro. Distinguiamo due classi.

• Ciclo motore: il sistema fornisce lavoro esterno ogni ciclo.

Ciclo: Q₂ - Q₁ Ciclo motore

Occorre che sia soddisfatta Q₂ > Q₁. Si ha poi:

η = ^L_netto/_Q2 = ^{Q₂ - Q₁}/_Q2

oppure anche scritto come:

η = quello che ottengo / quello che spendo

Trasformazione di energia nel sistema del corpo freddo.

• Ciclo frigorifero e a pompa di calore: c'è un ciclo inverso. Il sistema trasforma resa energia termica da un sistema a temperatura inferiore ad uno a temperatura superiore utilizzando lavoro esterno. Occorre quindi fornire lavoro in ingresso.

L_netto = Q₁ - Q₂

dove si deve avere stavolta Q₂ > Q₁

Differenza fra ciclo frigorifero e a pompa di calore

• Ciclo frigorifero: ha sua finalità quella di raffreddare uno spazio refrigerato e di mantenere la temperatura di un ambiente o in un edificio al di sotto della temperatura esterna.

β = ^Q₁/_Lnetto = ^Q₂ - Q₁ ciclo frigorifero e a pompa di calore

energia scambiata sotto forma di calore dal sistema al corpo caldo.

• Ciclo a pompa di calore: ha sua finalità è quella di mantenere la temperatura in un ambiente o in un edificio al di sopra di quella esterna o per fornire calore determinati processi industriali che richiedono temperatura elevata.

γ = ^Q₂/_Lnetto coeff. di prestazione

le tabelle del liquido compresso

le tabelle del vapore surriscaldato

Le tabelle forniscono i valori delle proprietà specifiche del liquido saturoe del vapore saturo secco in funzione della temperatura di saturazioneTs o della pressione di saturazione Ps.

Calcolo del volume specifico v di un vapore saturo a titolo xe:

v = (1 - xe) vl + xe vg

con:

vg = Vf,g = Vl,g + vfgvolume differenziale

Calcolo di energia interna ed entalpia specifiche:

u = (1 - xe) ul + xe ugh = (1 - xe) hl + xe hg

Risulta ug = ufg ; hfg = hg - hf.

Per i liquidi, v e u possono essere valutati allo stato liquido saturo corrispon-dente alla stessa temperatura dello stato considerato:

h(p,T) ≈ hl(T) + vl(T) (p - Psat(T)) [ J/kg ]

Modello di sostanza incomprimibile:

Si assume che la densità sia cost.e l'energia interna sia funzione della sola temperatura:

v = cost. ; u ≈ u(T)

Allora:

c(T) = cl(T) = Cp(T) = du/dT

se inoltre c ≈ cost., allora:

∫ du = ∫ c dT ⟹ u2 - u1 = C (T2 - T1)

2° Principio della Termodinamica

Osservazioni:

Sono osservabili molti processi termodinamici naturali che non possonoessere ripercorsi a ritroso. Esiste una direzione spontanea secondocui i processi termodinamici avvengono. Il 2° principio della Termodina-mica codifica questa osservazione sperimentale (es: un blocco dicaffè caldo non può scaldare un ambiente più freddo, fornire calorea una turbina e infine provocare la produzione di tensione ai capidella turbina, anche se il blocco non ne cambia la natura).

Enunciato del 2° Principio della Termodinamica:

• Sorgente Termica/Serbatoio Termico: sistema ideale in grado di scambiareuna quantità infinita di energia sottoforma calore senza modificare lapropria temperatura.
• Motore Termico: sistema ciclico in grado di produrre lavoroscambiando energia termica con altri sistemi.

Enunciato secondo Clausius:

È impossibile che il risultato di un processo sia il trasferimento dienergia da una sorgente termica a temperatura inferiore a unasorgente termica a temperatura superiore.(es.: un frigorifero che funziona senza lo spinacio,cioè senza lavoro: impossibile.)

Enunciato secondo Kelvin-Planck:

È impossibile che un motore termico eroghi lavoronetto ricevendo energia termica da una sola sorgentetermica.

Lucid _< 0 0 < _η < 1

(Il rendimento η di una macchinanon può mai essere pari a 1.)

⇨ i due enunciati sono equivalenti.

Irreversibilità:

• Processo reversibile: processo di un sistema A al termine del quale èpossibile riportare allo stato iniziale sia il sistema A eche il suo ambiente (generointento, si ottime in laboratorio).
• Processo irreversibile: processo di un sistema A al termine del quale non èpossibile riportare allo stato iniziale né il sistema Ache il suo ambiente (processi reali sono irreversibili →i metrori disperso intorno all'ambiente è irreversibile).