Domande e risposte fisica tecnica per prova scritta

corso di FISICA TECNICA

(L_MECC) AA 2019/20

ELENCO DOMANDE

isentropica

1) Postulato di stato 26) Macchina termica

2) Portata in massa con flusso (dimostrare le 3 possibili

monodimensionale soluzioni logiche)

3) Esperimento pvT 27) Teorema di Carnot con

4) Equazione di stato dei gas dimostrazione

ideali 28) Ciclo di Carnot diretto

5) Proprietà del vapore saturo 29) Ciclo di Carnot inverso

6) Temperatura ridotta e 30) Espansori a vapore

pressione ridotta 31) Espansori a gas

7) Principio degli stati 32) Compressori di vapore

corrispondenti 33) Compressori di gas

8) Quando un gas reale si può 34) Rendimento isentropico

considerare a comportamento 35) Caldaie e generatori di

ideale vapore

9) Proprietà del gas reale a 36) Miscelatori adiabatici

comportamento ideale 37) Valvole di laminazione

10) Proprietà dei liquidi 38) Ciclo diretto a vapore

11) Perché il calore specifico nei 39) Rendimento di 1° e di 2°

liquidi non dipende dal tipo di principio

trasformazione 40) Ciclo di Joule

12) Grandezze di stato e 41) Ciclo Otto

grandezze di scambio 42) Ciclo Diesel

13) 1° principio della 43) Ciclo inverso a

termodinamica: equazione di compressione di vapore

bilancio dell’energia per 44) COP

sistemi chiusi 45) Proprietà dell’aria umida

14) Definire l’entalpia a partire 46) Trasformazioni dell’aria

dal lavoro di pulsione umida

15) Equazione di bilancio di una 47) Legge di Fourier

proprietà estensiva 48) Conduzione termica

16) 1° principio della 49) Dimostrare che i gruppi

termodinamica: equazione di adimensionali (Nu, Pr, Re, Gr)

bilancio dell’energia per sono tali

sistemi aperti 50) Legge di Newton per la

17) Equazione di bilancio convezione

dell’entropia 51) Radiazione termica

18) Entropia 52) Corpo nero

19) Reversibilità ed 53) Distribuzione di Planck

irreversibilità 54) Analogia elettrica per i

20) Trasformazioni meccanismi combinati di

endoreversibili scambio termico

21) Equazioni del TdS 55) Scambiatori di calore

22) Lavoro di variazione di 56) Scambiatori in Equi-

volume, lavoro di elica o corrente e in Contro-corrente,

all’albero valutare le differenze

23) Equazione di Bernoulli 57) Equazione dell’ energia

24) Trasformazioni politropiche meccanica

25) Perché un’adiabatica

reversibile è anche

1. Postulato di stato

Il numero di proprietà interne, intensive, indipendenti, necessario a definire

lo stato di un sistema a un componente è pari a uno più il numero di

modi in cui esso può significativamente scambiare lavoro reversibile.

2. Portata in massa con fluido monodimensionale

In molte applicazioni che riguardano i sistemi aperti, più che la massa di

fluido entrante e uscente da un sistema in un tempo di osservazione finito,

interessa conoscere la massa fluente nell’unità di tempo, cioè la rapidità

con cui la massa si sposta nel sistema.

Per permettere una analisi punto per punto nel sistema, e quindi fornire

una indicazione esatta all’istante considerato, ci si riferisce alla massa che

fluisce nel sistema in un tempo elementare; in simboli:

Si definisce dunque portata massica (m· ) la massa che fluisce nel sistema

nell’unità di tempo. L’unità di misura è una massa diviso un tempo, cioè

[kg/s]

La portata massica che attraversa un generico varco della superficie di

controllo del sistema è pari al prodotto della densità del fluido per la misura

della sezione trasversale del condotto per la velocità del fluido.

Esperimento

3. PVT

Al fine di esplorare la correlazione che lega le varie proprietà di un sistema

semplice si prendono in considerazione le 3 proprietà più facilmente

misurabili, pressione, volume specifico e temperatura, e si sottopone il

sistema a un semplice esperimento. Si racchiude una

quantità nota della sostanza pura all’interno di un sistema pistone-cilindro:

il pistone può scorrere senza attrito all’interno del cilindro e con le masse

poste in testa più il suo peso proprio realizza una pressione nota e

costante.Partendo da una situazione di equilibrio al sistema viene fornito

calore in maniera quasi-statica (nella realtà dopo aver fornito calore al

sistema pistone-cilindro mantenuto in un bagno termostatico si aspetta un

tempo sufficiente affinché il sistema raggiunga l’equilibrio) misurando man

mano la temperatura e il volume specifico.

La procedura viene ripetuta per molti stati di equilibrio in modo da

registrare una quantità sufficiente di terne di valori (p), (v) e (T), capaci di

descrivere compiutamente il comportamento del sistema.

Affinché il sistema investigato possa considerarsi semplice occorre

accertarsi che siano assenti o trascurabili tutti gli effetti di tipo elettrico,

magnetico, elastico, inerziale, superficiale ecc.

Le fasi dell’esperimento PVT:

Fase solida Aumento temperatura e volume specifico

 Fusione Si fornisce calore ma la temperatura rimane

 costante

Fase liquida Aumento temperatura e volume

 Vaporizzazione Si fornisce calore ma la temperatura rimane

 costante

Fase aeriforme Aumento temperatura e volume



4. Equazione di stato dei gas ideali

Temperatura

Pressione assoluta

V.specifico molare Costante universale gas (8314.472 J/kmol K)

Dove:

n è la massa del gas in moli

 m è la massa del gas



5.Proprietà del vapore saturo

La zona cosiddetta del vapore saturo è quella contraddistinta dalla

coesistenza delle fasi liquida e aeriforme. La regola delle fasi suggerisce

che un sistema costituito da due fasi, cioè in condizioni di saturazione,

possiede un solo grado di libertà: in saturazione, all’equilibrio, se varia una

tra le due proprietà intensive pressione e temperatura l’altra varia di

conseguenza in quanto esiste una corrispondenza biunivoca tra le due. A

ogni valore della temperatura corrisponde quindi un solo valore di

pressione che mantenga il sistema nelle

condizioni bifasiche.

6. Temperatura ridotta e pressione ridotta

Occorre introdurre un criterio generale che possa definire per ogni gas il

valore di temperatura e pressione oltre i quali il suo comportamento

possa essere descritto dal modello di gas ideale in maniera accettabile.

Il termine di confronto per generalizzare il risultato è dato dal valore che

la pressione e la temperatura assumono al punto critico, con

conseguente utilizzo dei valori ridotti della temperatura e della

pressione:

È evidente invece la tendenza delle sostanze ad avvicinarsi al valore (Z = 1)

quando la pressione ridotta tende a zero. Per definire un criterio quantitativo,

pur di larga massima, si può dire che quando (pR < 0,01) l’errore è accettabile

anche se (TR < 1), mentre al di sopra della temperatura critica, (TR > 1),

l’errore diventa accettabile purché sia (pR < 0,1).

Quando poi la temperatura ridotta diventa sufficientemente alta, per esempio

(TR > 2), allora l’influenza della pressione diventa trascurabile, per cui si può

dire che il comportamento della sostanza pura reale è ben descritto dal

modello di gas ideale quando la sua temperatura ridotta è maggiore di 2 anche

per valori superiori alla pressione critica, purché non di troppo.

In definitiva, se: allora il

gas si può considerare a comportamento ideale.

7. Principio degli stati corrispondenti

Il Principio degli stati corrispondenti, principio non rigorosamente esatto

afferma che per tutte le sostanze vale, ed è unica,

l’equazione:

Le proprietà ridotte normalizzano i valori della pressione e della temperatura,

confrontandoli con i valori critici caratteristici della sostanza.

In altre parole, il principio degli stati corrispondenti stabilisce che le proprietà

ridotte di tutti i fluidi sono sostanzialmente le stesse se confrontate a uguali

temperature e pressioni ridotte. Il fattore di comprimibilità (Z) è quindi

all’incirca lo stesso per tutti i gas alla stessa temperatura ridotta e pressione

ridotta.

8. Quando un gas reale si può considerare a

comportamento ideale

Se: allora il gas si può considerare a comportamento

ideale .

9. Proprietà del gas reale a comportamento ideale

È evidente invece la tendenza delle sostanze ad avvicinarsi al valore (Z =

1) quando la pressione ridotta tende a zero. Per definire un criterio

quantitativo, pur di larga massima, si può dire che quando (pR < 0,01)

l’errore è accettabile anche se (TR < 1), mentre al di sopra della

temperatura critica, (TR > 1), l’errore diventa accettabile purché sia (pR <

0,1). Quando

poi la temperatura ridotta diventa sufficientemente alta, per esempio (TR >

2), allora l’influenza della pressione diventa trascurabile, per cui si può dire

che il comportamento della sostanza pura reale è ben descritto dal modello

di gas ideale quando la sua temperatura ridotta è maggiore di 2 anche per

valori superiori alla pressione critica, purché non di troppo.

In definitiva un gas ideale è poco denso ed ha una bassa pressione e alta

temperatura.

10. Proprietà dei liquidi

Le proprietà nella zona del liquido (sia saturo che sottoraffreddato) possono

essere calcolate partendo dall’osservazione che i liquidi, almeno negli stati

non troppo vicini al punto critico e quando la differenza di pressione tra la

fine e l’inizio della trasformazione non sia troppo elevata, si comportano

come fluidi incomprimibili(non varia il volume specifico al variare della

pressione). La incomprimibilità dei liquidi si manifesta nel ridurre

l’equazione di stato all’espressione:

11. Perché il calore specifico nei liquidi non dipende

dal tipo di trasformazione

In base al postulato di stato, nel caso generale di un sistema semplice

comprimibile una qualsiasi proprietà può essere data in funzione di due

proprietà indipendenti. Per esempio, l’energia interna (u), può essere data

come: u =

u(T, v)

Differenziando si ha:

Dalla definizione di calore specifico a volume

costante:

dal fatto che per un fluido incomprimibile: dv= 0 discende che la variazione

cvdT

di energia interna può essere calcolata come: du =

Per come è definito, il calore specifico di un fluido incomprimibile è funzione

della sola temperatura e, di conseguenza, anche l’energia interna di un fluido

incomprimibile è funzione della sola temperatura.

Una immediata conseguenza è che:

Se per l’energia interna vale la

dipendenza dalla sola temperatura, non altrettanto può dirsi per l’entalpia: h =

u(T) + pv

in quanto il termine (pv) non può, in generale, essere considerato dipendente

dalla sola temperatura, come invece avviene per il gas ideale.

Differenziando l’espressione per l’entalpia si ottiene: dh = du(T) + vdp +

pdv

Poiché il termine (pdv) è nullo per l’ipotesi di incomprimibilità, rimane: dh =

du(T) + vdp

da cui discende immediatamente: Cioè, nella

ipotesi di incomprimibilità non c’è distinzione tra calore specifico a pressione

costante e calore specifico a volume costante.

Grandezze di stato e grandezze di scambio

12.

La grandezza di stato è matematicamente una funzione di punto (dipende dallo

stato in cui si trova il sistema e non dal cammino percorso dal sistema per

raggiungere quello stato). La grandezza di scambio, invece, è una funzione di

linea (è definita sul cammino percorso per raggiungere un certo stato finale

partendo da uno stato iniziale, e da quel cammino dipende).

13. Primo principio della termodinamica: equazione di

bilancio dell’energia per sistemi chiusi

Nei sistemi chiusi non c’è flusso di massa tra sistema e ambiente

esterno, per cui gli scambi di energia possono avvenire

solo come calore e come lavoro.

In maniera del tutto generale si può scrivere l’equazione di

bilancio dell’energia scrivendo, per la massa di controllo, (MC), che

rappresenta il

sistema chiuso:

Per non correre il rischio di complicare le cose con la convenzione dei segni

adottata in precedenza, in queste formulazioni, quando compaiono disaggregati

tra quota in entrata e quota in uscita, il calore e il lavoro vanno sempre presi in

valore assoluto.Al fine di semplificare anche la formulazione più generale appena

vista conviene

posizionare a primo

membro tutto il calore e

il lavoro scambiato, così:

Poi, ricordando la convenzione dei segni, opposta per il calore e per il

lavoro, torna utile scrivere sinteticamente: (Q)

dove il simbolo rappresenta la differenza

tra il calore in ingresso e quello in uscita dal sistema, entrambi presi col

(L)

loro valore assoluto, mentre il simbolo rappresenta la differenza tra il

lavoro in uscita e quello in ingresso, anch’essi presi col loro valore assoluto.

Come è noto le quantità riferite alle grandezze specifiche si indicano con le

lettere minuscole, per cui la formulazione precedente si trova normalmente

scritta così: dt),

Se invece il tempo di osservazione è infinitesimo, e pari a ( la

formulazione del 1° principio per un sistema chiuso risulta:

14. Entalpia a partire dal lavoro di

pulsione

Il lavoro compiuto per permettere al volumetto di fluido

( ΔVe ) di entrare nel sistema si chiama lavoro di pulsione .

Si tratta di lavoro fatto dall’a