Fisica tecnica lezione

OBIETTIVO

Studiare la conversione dell'energia e l'interazione energia-materia, per fornire all'uomo energia nelle forme necessarie.

Esempi: CONVERSIONE DELL'ENERGIA

• calore in energia meccanica o elettrica (motori)
• energia elettrica in calore (frigoriferi e pompe di calore)
• radiazione solare in calore (pannelli solari termici)

TRASMISSIONE DEL CALORE

• dispersioni termiche di un sistema o edificio
• raffreddamento di dispositivi meccanici o elettronici

85% dell'energia utilizzata proviene da fonti fossili, e viene convertita in calore.

fonti fossili -> COMBUSTIONE -> calore -> eventuale lavoro

DISCIPLINE

• TERMODINAMICA -> studia macroscopicamente un sistema soggetto a scambi di energia
• TRASMISSIONE DEL CALORE -> studia il trasporto dell'energia dovuto a differenze di temperatura

Sistema Termodinamico

Sistema termodinamico semplice: esente da reazioni nucleari, chimiche e da azioni elettromagnetiche. È soggetto a scambi di massa, calore e lavoro.

Lavoro

Trasferimento di energia di tipo meccanico. Non è funzione di stato.

• Il sistema nel passaggio tra 0 e 1 cambia in base alla combinazione di scambi energetici.

Calore

Trasferimento di energia di tipo termico. Non è funzione di stato.

• Dipende dal percorso e trasformazioni che avvengono.

Sistema Semplice

Non esistono pareti all'interno.

Sistema Complesso

Esistono pareti all'interno.

• Si distinguono subsistemi.

Sistema Isolato

Pareti esterne chiuse ad ogni scambio.

Pareti

Consentono/non consentono lo scambio di:

• Massa -> Imbarrabili/Porose
• Lavoro -> Rigide/Mobili
• Calore -> Adiabatiche/Diatermiche

La relazione fondamentale mette in relazione le grandezze termodinamiche,

descrivendo il comportamento delle sostanze.

U = U (V, N...) Non è nota

Per questo si utilizzano - tabelle e diagrammi delle prop. termodinamiche- equazioni di stato, ovvero approssimazioni semi-empiriche

- dati sperimentali

- Mulitello di Joule

L_in = ∫F•dx

dV = 0

Volume costante

L_in = L_utile

L = tutto il lavoro che entra — variazione di energia interna

viene dissipato in calore

CALORE → dipende dalla trasformazione

Calore Q

Potenza termica

Q̇ = dQ/dt

SISTEMA APERTO IN CONDIZIONI STAZIONARIE

(m_in = m_out) → non vi è scambio

ṁ • e_in + ∑ Ė_in = ṁ • e_out + ∑ Ė_out + ∂(ME)/∂t

ṁ • e_in + Q̇_in = ṁ • e_out + Ė_out

potenza associata al fluido in ingresso

potenza termica in ingresso

potenza associata al flusso in uscita

ṁ (u + gz + 1/2 ω²)_in + Q̇_in = ṁ (u + gz + 1/2 ω²)_out + Ė_out

variazione tra scambi

L^*_out = ∫P • dV

lavoro specifico

L^*_out = ṁ • l^*_out = ṁ ∫P • dV

l^*_out è il lavoro totale

ma non coincide con il lavoro utile

Enunciato di Kelvin

È impossibile realizzare una macchina il cui unico risultato preveda che tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea sia integralmente trasformato in lavoro.

Il serbatoio potrebbe avere 2 temperature e si torna al caso di macchina inibita.

Contro esempio:

• non viene cambiato lo stato della macchina
• Q = L Q cambiano per V per cui non è una macchina ciclica

Macchina utorice

• Assorbe calore QC da TC e trasferisce parte di calore QF a un serbatoio TF e estrae lavoro L

QC = L + QF

• Bilancio basato su ciclo termodinamico
• no accumuli e portate entranti - uscenti
• solo scambi energetici

TC > TF

CASO REVERSIBILE

Serbatoio di calore a T costante

Q_out^C = -∫C dS → ΔS = -Qc/Tc

Q_in^F = ∫Tp dS → ΔS = QF/Tp

Bilancio energetico

Qc = Qf

- Tc⁰ - ΔSc⁰ = Tp⁰ - ΔSf⁰

Tc = Tp

ΔSp = - ΔSc

ΔS_sistema = ΔSc + ΔSf = S_gen → S_gen = 0

È reversibile perché il calore può essere trasferito in entrambe le direzioni (ΔT = 0)

Se ΔT ≠ 0 il calore può andare in un solo verso per una sola volta, a meno di un eventuale lavoro con pist.

Irreversibilità esterne

→ Scambio termico con ΔT non nulli;

ΔS = S_irr > 0

→ diverso dal caso interno (interno: espansione libera)

Sistema aperto in condizioni stazionarie

ṁs_IN + ∑s_IN + ∑s_QIN + ṡ_IRR = ṁs_OUT + ∑s_QOUT + ∂Ṡ^-/∂t

→ Perché condiz. stazionarie il sistema non evolve nel tempo

Definizioni →

S_IN: ∫(δQ_IN/T) > 0

S_QOUT:∫δQ_OUT/T < 0

ṁ s_IN + ∫δQ_IN/T + ṡ_IRR = ṁ s_OUT + ∫ δQ_OUT/T

(tutti i termini sono positivi)

Cicli Termodinamici

Sistema chiuso scambi di massa + stazionario perché considero un numero finito di cicli

∑s_QIN + ∑s_QOUT + ṡ_IRR = ṁ s_OUT + ∂S^-/∂t

∑S_QIN + ∑S_QOUT + ṡ_IRR = 0

Definizioni → S_QIN = ∫(δQ_IN/T) > 0

S_QOUT = ∫δQ_OUT/T < 0

→ ∑∫(δQ_IN/T)^~ + ṡ_IRR = ∑∫(δQ_OUT/T)^~

è solo mensale se non conosco il T del sorgente

dipende delle trasformazioni

non è funzione di stato

Non conoscendo T del sorgente non posso conoscere la s_IRR, essendo

può esserci s_IRR se l'interno è subito la massa non essendo in massa

LE TRASFORMAZIONI

• I passaggi da (1) a (2) che si trovano in condizioni di equilibrio

le trasformazioni prevedono condizioni di equilibrio all'inizio e alla fine

possono essere TIR o non TIR

Te e Pe possono sempre essere definite senza conoscere la loro evoluzione

ANALISI LOCALE

Consideriamo intorno di una condizione di equ. libria (di (1) ad esempio)

• T e Ps possono sempre definire

consideriamo gli infinitesimi:

dU = dQ_ein - dL_est

dQ_e perche Q e L non sono differenziabili

esatti, in quanto dipendono dalla trasformazione

Se si trova in una TIR sostituisco la definizione di Q e L

dU = TdS - PdV

dev'essere sempre valida perche è costituito da sole funzioni di stato

La forma differenziale è sempre valida

compiendo uno spostamento infinitesimo T e P non variano e

restano quelli del punto (1)

• sono definite anche se la trasformazione non è infinitesima e non TIR

Per una NON TIR TdS ≠ dQ_ein e PdV ≠ dL_est

dU dipende solo dallo stato, non periodicamente dalla trasformazione eseguita

è funzione di stato