Appunti presi a lezione - Termodinamica

PROGRAMMA (1^o parte)

A.A. 2020/21

Prof. Valerio D’Alessandro

• GENERALITA’ SULLA TERMODINAMICA APPLICATA:
  1. Definizioni di termodinamica e termofluidodinamica
  2. Sostanza pura: introduzione
  3. Sistemi termodinamici: aperti e chiusi, proprietà, def di stato ed equilibrio termodinamici, grandezze di stato, trasformazioni reversibile e irreversibile, ciclo termodinamico
  4. Temperatura e scale termometriche
  5. Pressione: legge di Stevino
• SOSTANZE PURE:
  1. Analisi del comportamento di una sostanza pura durante una trasformazione isobara
  2. Diagramma pressione-temperatura
  3. Titolo di vapore + DIM
  4. Equazioni di stato
  5. Legge degli stati corrispondenti
• TERMODINAMICA E LAVORO:
  1. Distinzione tra lavoro e calore
  2. Potenza termica e meccanica, def di sistema chiuso/aperto
  3. Forme di energia: macroscopiche, microscopiche, interna
  4. Trasformazioni: reversibile e irreversibile + diagrammi p-V
  5. Cause di un disequilibrio termodinamico + effetti dissipativi
  6. Calcolo del lavoro meccanico ipotizzando: un processo reversibile/irreversibile, trasformazioni isocora/isobara/isoterma/adiabatica
  7. Scambio di lavoro in sistemi con deflusso: calcolo del lavoro meccanico
• PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:
  1. Differenza tra energia e calore-lavoro: grandezze di stato vs di scambio
  2. Processi con scambio di lavoro senza scambio di calore, processi con scambio di calore senza scambio di lavoro, processi con scambio di calore e lavoro, calore intrinseco
  3. Primo principio della termodinamica per sistemi con deflusso (a flusso stazionario): def di entalpia specifica

1. Principio di conservazione della massa: def di portata massica, equazione di continuità, portata volumetrica
2. Calore specifico a volume e pressione costanti nel caso di un gas perfetto + DIM
3. Applicazioni del primo principio della termodinamica: macchine a fluido, apparati con deflusso in regime stazionario (calcolo del lavoro di pompaggio nel caso di una pompa ideale e reale, macchina motrice, laminazione, scambiatore di calore a superficie + DIM, legge di Bernoulli per processi reversibili e irreversibili, studio degli ugelli e diffusori)

SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:

1. Analisi dei limiti del primo principio della termodinamica
2. Serbatoio di energia termica
3. Macchine termiche motrici + ESEMPIO (motore termico) + rendimento termico
4. Postulati del secondo principio della termodinamica: postulato di Kelvin, teorema di Carnot, postulato di Clausius
5. Macchine frigorifere e a pompa di calore + def del coefficiente di prestazione
6. Entropia: disuguaglianza di Clausius

CICLI TERMODINAMICI:

1. Motori a combustione interna ed esterna: generalità
2. Ciclo termodinamico diretto di Carnot: diagramma pressione-volume e temperatura-entropia
3. Ciclo termodinamico diretto a vapore: ciclo ideale di Carnot + DIM, ciclo di Rankine ideale a vapore saturo, surriscaldato e preriscaldato
4. Ciclo termodinamico inverso a vapore: ciclo ideale di Carnot, effetto frigorifero, ciclo a semplice compressione di vapore

CONDUZIONE TERMICA IN REGIME STAZIONARIO:

1. Scambio termico in sistemi biologici: flusso termico conduttivo (Postulato di Fourier + DIM considerando una superficie isolivello) e gradiente termico, conducibilità termica, diffusività termica
2. Equazione generale della conduzione termica in un mezzo uniforme e non (equazioni di Poisson, Fourier, Laplace) + DIM (ip: elemento con lati di estensione differenziale)
3. Condizioni al contorno per l’eq della conduzione
4. Conduzione termica in regime stazionario su di uno strato piano: DIM postulato di Fourier (ip: piano infinitamente esteso), relazione tra postulato di Fourier e legge di Ohm

Proprietà del sistema

• Intensive: se non dipendono dalle dimensioni del sistema (T, p, ρ)
• Estensive: se dipendono dalle dimensioni (o estensione) del sistema (si riducono con un apice minuscolo) (m, V, E, U, H)

Volume: V (cm³) ➔ volume specifico v= V/m Cm³/kg

Energia totale: E (J /s) ➔ energia totale specifica e=E/m

Specifiche: sono proprietà estensive riferite all'unità di massa e sono indicate con le minuscole, come ad esempio

Stato ed equilibrio termodinamico

• Se un sistema termodinamico non è soggetto ad alcun cambiamento tutte le proprietà possono essere misurate o calcolate ovunque nel suo intorno

Diagramma P-V (o di Clapeyron) rappresenta uno stato termodinamico

Per poter definire lo stato termodinamico di un sistema occorre che i valori delle sue proprietà siano costanti ad intervalli nel tempo e nello spazio

Equilibrio termodinamico

Questo comporta:

• Termico: se temperatura è la stessa in ogni punto del sistema
• Meccanico: isolamento o uniformità della pressione
• Di fase: se permesso di discorrere fra più unità
• Chimico: se composizione chimica non varia, oppure non si verificano reazioni chimiche

Grandezze di stato

(V, p, T, E, U, H, S)

• Se un sistema termodinamico si trova in uno stato di equilibrio termodinamico i valori delle proprietà del sistema sono univocamente determinati, sono gli stessi in tutti i punti del sistema e mantengono un valore nel tempo

Le proprietà termodinamiche vengono anche chiamate grandezze di stato

Un sistema in equilibrio termodinamico non agisce di sforzi mutuo e mette equivocalmente legamento nell’istante

Quando uno lo stato termodinamico di un sistema entrano in gioco le grandezze che vengono scambiate tra ambiente e sistema

Trasformiamo termodinamica (o processo termodinamico) ➔ avviene cambiamento che un sistema subisce passando da uno stato di equilibrio ad un altro

• Una delle trasformazioni: serie dopo stasi termodinamiche attraverso

Diagramma p-T (delle fasi)

Processi isobari di cambiamento di fase per una sostanza pura.

Es.: punto triplo H₂O

T_p = 273.16 K

P_p = 0.61 kPa

P_critico = 22.09

V_critico = 0.056

I valori aumentano all’aumentare della pressione.

Punto critico

V (m³/kg)

Curva limite inferiore: è curva del liquido saturo ovvero un liquido mi minente a vaporizzazione.

Processi di vaporizzazione e condensazione:

Sono isobari e isotermi.

Calore di vaporizzazione (o condensazione): r = f(p,T)

Titolo di vapore:

x è un parametro caratteristico delle miscele.

x = m_V / m = AC / AB

Frazione di massa di vapore:

Frazione di massa di vapore + frazione di liquido.

L’ottenimento sul quadro meccanico ottenuto, che è l’effetto utile che si riscontra con l’ambiente, perciò generalmente si delinea il campo del sistema sull’ambiente e l’ambiente del flusso.

Ammette esaminare quadro del sistema, ciò comportando una spese europea, perciò le equazioni che unisce ambiente al sistema (comunemente e negativa) perché pensare non un differente energetico (rapportandolo con l’energia di una terra)

L = ₂ ∫ ₁ dŁ = ₂ ∫ ₁ F·dr

→ SISTEMA CHIUSO (LAVORO DI ESPANSIONE | COMPRESSIONE)

Per effetto della pressione del fluido si ottiene una forza sul pistone, producendo uno spostamento dello stesso, e il lavoro ottenuto può essere utilizzato per spostare lung o intero meglio in rapporto ma le autoe del’eutlimo/a.

➜ Il lavorotermochimico è generato dalla disposizione di una parte della frontiera per effetto di un’augie meccanica

→ SISTEMA APERTO (LAVORO D’ASPA)

Lo spazio di pentolecieo frontiera mni e fr ie mram attraverso cui scambio corso con l'alumbenile, peine che qui 7 pietra senso di cani de controllo (e mbuli di masso)

➜ Il lavoro termochimico si ottiene per la meta in rotazione di un organo mobile, ruotante, dulivi or movimento del fluido.

● ENERGIA

● ENERGIA : capacitore di colamesee lavoro e puot mini manifestnas nu due foundu accumulo generifica he massi lo cuccionieri.

E_Tot = E_C + E₉ + U GRAMENTO voyidansa

CONTRASTO MACROSCOPICO CONTRIBUTO MICROSCOPICO

● FORME DI ENERGIA MACROSCOPICHE : sono pertoduale de sistema mela cul compresso, sonno conseti con letto del sistena i con l’enteraziona cana.

Esempio raccogliendosouso goseffetti meccanica energia cinetica = EC = ¹/₂m1u²energiapotenziale = E_g = mgz; E⁰_g = ^g/_mz = E_C