Riassunto "Fisica tecnica ambientale"

Fisica Tecnica Ambientale

Sist.aperto: scambia energia e materia con l'ambiente

Sist.chiuso: scambia energia ma non materia

Sist.isolato: non scambia né energia né materia

Proprietà intensive: uguali per ciascun elemento in cui il sistema può essere suddiviso (indipendenti dalla massa) (es. temperatura)

Proprietà estensive: sono proporzionali alla massa (es. volume)

Un sistema si trova in equilibrio termodinamico se sussistono contemporaneamente:

1. equilibrio meccanico: tutte le forze equilibrate
2. equilibrio chimico: non ci sono variazioni spontanee della struttura interna
3. equilibrio termico: non ci sono flussi di calore
4. equilibrio elettrico: potenziale elettrico uniforme

Trasformazioni: cambiamenti di stato del sistema

• reversibili: si può sempre invertire il senso e riportare il sistema alle condizioni iniziali passando dagli stessi stati fisici occupati per la trafo. diretta
• irreversibili: solo gli stati iniziale e finale sono stati di equilibrio

Tutte le trasformazioni che avvengono in natura (spontanee) sono irreversibili

Regola delle fasi: la reazione o gradi di libertà cioè il numero di variabili che si possono modificare senza alterare lo stato di equilibrio del sistema (m) e dato da:

|m = c - f + 2|| ^{{c = numero di componenti presenti nel sistema}} _{|{f = numero di fasi presenti nel sistema}}

1° principio della termodinamica

Se un sistema chiuso viene rimosso dall'equilibrio, le sue proprietà variano fino al raggiungimento di un nuovo stato di equilibrio: lavoro e calore del sistema si trasformano in ogni forma che contribuiscono alla variazione di energia interna:

ΔU = Q - L |_Q,L dipende solo [dalle] fasi iniziale e finale della trasformazione

Q,L dipende dal tipo di trasformazione, mentre la loro differenza è obbligatoria, dovuta al tipo di sistema

Capacità termica: |c = ^dQ/_dT|: quantità di calore da fornire ad un sistema affinché la sua temperatura aumenti di 1°C, per unità di massa

Calore specifico: |c = ^(_dQ/m)/_dT|: quantità di calore da fornire ad un sistema affinché la sua temperatura aumenti di 1°C, per unità di massa

A pressione cost: c_p = (^dQ/_dT)_p ; a volume costante: c_v = (^dQ/_dT)_v

DIH danno pv: d(q_v) = pdv + vdp ; essendo p dv = dl = dQ - dU si ha:

d(q_v) = dQ - ΔU + vdp = dQ = (pdv) + dU - vdp = d(q_v + U + pv) - vdp |- - - - - - - - - - - - -

si definisce entalpia H = U + PV (H = U + PV): dQ = dH - vdp || {p = cost dQ = dH]

essendo ΔU = dH - vdp {v = cost ΔU = dH - vdp}

2° principio della termodinamica

Enunciato di Kelvin-Planck: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire calore da una sorgente e convertirlo integralmente in lavoro.

Enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo non caldo ad uno più caldo.

Macchina termica: sistema che, compiendo trasformazioni cicliche, trasforma parte del calore assorbito in lavoro.Una macchina termica reversibile può lavorare in senso inverso, quindi come frigorifero o pompa di calore.

Coefficiente economico

• in senso diretto: E= ^L/_{Q_1} (<1)
• in senso inverso: E= ^|Q_2|/_L (frigorifero) (>1)
• E= ^Q_1/_L (pompa di calore) (>1)

Macchina di Carnot: ogni macchina termica che opera tra due prefissate temperature.

Verso due trasformazioni isoterme (1-2, 3-4) e due adiabatiche (2-3, 4-1)

• 1-2 (Q₁ > 0, L > 0) espansione
• 3-4 (Q₂ < 0, L < 0) espansione
• 2-3 (Q₁ > 0, L < 0) compressione
• 4-1 (Q₂ < 0, L < 0) compressione

Rendimento: in senso diretto: η = ^{energia trasformata}/_{energia trasformabile} = ^L/_Q1 ≤ ¹/_Itere < 1 (r + COD_g = <1)

in senso inverso: η = ^{energia necessaria}/_{energia di spesa} = ¹/_{Itere Emp}

CICLI A GAS

Servono a fornire calore ad un fluido (per poter produrre lavoro) tramite un pistone nel quale si realizza una combustione. Gli estremi della corsa del pistone sono detti punto morto inferiore e superiore. Nel pistone ci sono 2 valvole per l'entrata e l'uscita del fluido. Nel motore ad interno sia aperto, per l'esame termodinamica si fanno 2 semplificazioni che permettono di considerarlo chiuso.

1. Si sostituisce la reazione di combustione con uno scambio di calore, a pressione e volume costante, fuori dal cilindro di reazione.
2. Si sostituisce l'espulsione dei prodotti di combustione con lo scambio di calore, in particolare con cessione di calore, in quanto esce fluido caldo ed entra freddo.

Ciclo Otto

Ciclo del motore a scoppio, simmetrico: T2 = T3 ; T4 T1

1. 0-1: Aspirazione di aria accetta con combustibile, a pressione costante, fino al punto morto inferiore; si chiude la valvola di aspirazione
2. 1-2: Compressione adiabatica fino al punto morto superiore
3. 2-3: Combustione a volume costante (molto rapida)
4. 3-4: Espansione adiabatica fino al punto morto inferiore
5. 4-1: Espulsione prodotti di combustione a volume costante; apertura valvola di scarico

• Q₁ = C_v (T₃ - T₂) > 0
• Q₁₂ = C_v (T₄ - T₂) < 0
• Q₂₃ = C_v (T₃ - T₂) > 0

k: vedi tabella trasformazioni termodinamiche

• e = l/q₁ = 1 - T₁ (T₂ - T₃)
• r_v = v₁ / v₂ rapporto di compressione
• γ = C _p / C _v = 1.4
• ν = v₄ / v₃ rapporto di combustione

C_p = 1.025 KJ/kgK C_v = 0.748 KJ/kgK

Ciclo Diesel

1. 0-1: Aspirazione area pura a pressione costante, fino al punto morto inf.
2. 1-2: Compressione adiabatica fino al punto morto superiore
3. 2-3: Miscelazione con il combustibile che provoca la combustione a q. cost.
4. 3-4: Espansione adiabatica fino al punto morto inferiore
5. 4-1: Espulsione prodotti di combustione

• Q₁ = C_p (T₃ - T₂), i q ₁₂ = C_v (T₄ - T₂)
• Q₁₂ = P (V₃ - V₂)
• Q₂₃ = C_v (T₃ - T₄)

Vedi tabella trasformazioni termodinamiche

• A parita' di rapporto di compressione (r_{v i v 2}) e_{O O} Diesel
• A parita' di temperatura e pressione Massima e_Otto < e_Diesel

Emissività:

e = energia emessa da una superficie di corpo reale

energia e pari, a parità di condizioni, emessa da un corpo nero

Corpi reali:

corpi non ideali nei quali l'energia emessa non è massima come nei corpi neri.

esso è detta anche emittanza; inoltre vale la legge di Kirchoff:

Legge di Kirchoff:

il coefficiente di assorbimento e l'emissività dipendono dalla lunghezza

d'onda e dalla temperatura:

Corpi grigi:

se e_r è un campo indipendente di λ → q = e σT⁴

Lo spettro spettrale e simile a quello di un corpo nero ma all'altezza

è ridotto del valore dell'emissività.

Flusso netto:

q₁ = q₀₁ - q₁

^{Scambio termico tra superfici piane}

• m
• n

Flusso emesso: q₀₁ = σT₁⁴

Flusso uscente: q₁ = σT₁⁴ + q₁₂f₂₁ (come regola per corpi neri)

Flusso uscente da 1 che raggiunge 2: q₁₂ = q₀₁ = σT₁⁴

Flusso uscente da 2 assorbito da 2: q₀₂ = i₀₁i₀₂

Flusso netto: q₁₂ = i₀₁ - i₀₂

Scambio termico tra superfici a sezione circolare

1. q₀₁ = σT₁⁴
2. q₁ = q₁₂
3. q₁₂ = q₀₁
4. q₁₂ = q₁i₁₂ - i₂i₂ = q₁