Teoria Fisica tecnica

Introduzione

Lavoro suddiviso in tre fasi: termodinamica applicata, trasmissione del calore e condizionamento ambientale.

L'elemento che accomuna questa disciplina è l'energia e i suoi principi di conservazione.

L'energia di un corpo o di un sistema può definirne come l'attitudine a compiere lavoro.

L'energia termica sotto forma di temperatura viene denominata calore, mentre nella forma immagazzinata calore latente (energia chimica).

L'energia termica è una energia importante in quanto può essere trasformata in altra lavoro - energia e energia elettrica - calore. La conversione invocata è regolata dalla secondo principio della termodinamica.

Nello specifico la relazione calore e lavoro è trattata dalla termodinamica applicata.

Le fonti energetiche si dividono in fonti non rinnovabili (carbone, petrolio...) e fenomeni naturali che sono fonti rinnovabili.

Introduzione termodinamica applicata

È la scienza che studia le relazioni tra calore, lavoro e le proprietà dei sistemi. Nacque nel ^XVIII secolo con l'avvento delle macchine termiche e l'esigenza di migliorare il processo di conversione: energia termica ⇒ energia meccanica.

La termodinamica si basa sui fenomeni fisici e le tre unità di misura.

Questa ricerca in sviluppo con lo scopo di migliorare in ogni aspetto le macchine termiche. Tra i pionieri abbiamo: Mayon, Watt, Carnot, Kelvin, Joule, Gibbs e Clausius.

Sviluppo storico delle macchine

La prima macchina termica in grado di funzionare fu costruita in Inghilterra nel ¹⁷¹² nota come la "macchina di Newcomen".

James Watt venne incaricato di riparare un modello di questa macchina. Watt, che era professore alla università di Glasgow, studio la macchina con spirito di ricercatore notando pregi e difetti. Dopo ulteriori studi nel ¹⁷⁶⁹, invento il condensatore separato, altrimenti quelli costruì la macchina a vapore che ebbe per sempre moto.

Negli stessi anni vennero compiute i primi esperimenti per applicare la propulsione a vapore negli impianti navali: la prima risale al 1807.

Nella seconda meta dell'800 venne sviluppato il motore a combustione interna dove veniva utilizzata la benzina con l'avvento dei motori a combustione interna si pensava che i motori a gas fossero finiti fino all'invenzione della turbina a vapore donata a Parsons nel 1884. Ancora costituisce ancora adesso la tipologia piú diffusa per la produzione di energia elettrica.

Nel XX secolo viene ulteriormente perfezionato il motore a combustione interna utilizzato per veicoli leggeri. Anche nel campo ferroviario la macchina a vapore viene sostituita con motori a Diesel o elettrici. Nel 1930 viene impiegata la turbina a gas nella propulsione aerea.

Il principio dell'impianto a gas trova applicazione sia per la turbina a gas vera e propria, sia per la propulsione a reazione.

Sintesi:

• XVIII secoloMacchina di Mewcomen (1714)Perfezionamento di Watt (1763)
• XIX secoloNave commerciale a vapore 1807FERROVIA: macchina alternativa a vapore (locate)II mitad '800Motori combustione interna/motori di reazione.Turbina a vapore Parsons 1884.
• XX secoloPerfezionamento motori a combustione interna.Tentativi di volo con motori a benzina.Motori Diesel o elettrici nelle ferrovie.Diesel per la propulsione navale.Turbine a gas per la propulsione aerea.

e non c'è aumento di temperatura la superficie si definisce a diabatica.

Storicamente il calore nel ^XIX secolo si pensava che fosse una sostanza materiale detto calorico, con proprietà descritte da Dalton 1808.

Fu Joule a dimostrare nel 1840 che si poteva ottenere un effetto equivalente di riscaldamento con uno scambio di lavoro.

Dal esperimento prima di Joule (1840) e poi più accurato di Rodewll risulta che si può produrre calore da una disposizione di lavoro dovuto a un attrito viscoso. Ne risulta la formula di Mayer:

L=J*Q con J costante di equivalenza metrologica.

Con questa formula si può arrivare a dire che 1cal é

definito come il valore necessario per passare da 14,5ºC a 15,5ºC la temperatura di 1 Kg di acqua distillata.

Lo scambio di calore viene indicato con Q₁,₂ e come unità di misura il J o KJ. Calore scambiato per unità di massa è indicato con Q_1,2 ed è espresso in J/Kg.

Il calore che entra nel sistema è positivo.

Il calore scambiato in una trasformazione finita è:

Q_1,2=∫₁²dQ.

(Aumento di temperatura)

Il calore da un corpo all’altro si può trasmettere mediante:

• conduzione
• convezione
• irraggiamento

P.43

Secondo principio della termodinamica

Il lavoro è una forma qualitativamente superiore di energia, perché può essere totalmente convertito in calore, ma non è possibile il contrario.

Evidenze sperimentali

Per il I° principio la conversione calore ↔ lavoro è lecita ed in maniera integrale.Ma se consideriamo un sistema termodinamico chiuso.In questo sistema si considerino le due temperature assolute T₁, T₂ e i due calori Q₁ e Q₂.Valutando le due quantità ^Q₁⁄_T1 e ^Q₂⁄_T2 in moto che anche sommando algebricamente∑^Q_i⁄_Ti < 0 ovvero ∮^Q_i⁄_Ti < 0 (ciclico)

Enunciati del secondo principio

∮^Q⁄_T ≤ 0 è la disuguaglianza di Clausius.Questo stabilisce che le possibilità di una conversione energetica da una certa quantità di calore, dipende dalla temperatura.Clausius dice che: "è impossibile trasmettere calore da un corpo freddo a uno più caldo."

C'è anche l'enunciato di Kelvin-Planck.Se viene violato un enunciato di conseguenza si viola anche l'altro.

Questo concetto si può anche esprimere in termini di ordine e disordine. È infatti ordinata una componente energetica che si può trasferire completamente da una all'altra; disordinata e non accade.Importante è che in un qualunque sistema che coinvolga un ciclo non vi tornerà mai allo stato iniziale ma rimarrà sempre una traccia permanente che cresce.

Diagramma P, H

Solitamente usato nei cicli termodinamici inversi.

• - = isoterme
• -- = isobare
• ---= isotrope
• ....= isocora
• = limite Vapore surriscaldato.

Il gas perfetto

Formula generale Z = ^{P V}/_{R T} = ^{ρ ν}/_{R1 T} = 1 Z = 1 fattore di comprimibilità.

Con questa formula possiamo approssimare molti casi reali. Forma alternativa con numero di moli o massa.

• P V = R T → p V = R T
• P V = R₁ T → p V = m R₁ T

Si calcola anche Q per gas perfetti.

• dU = C_vT
• dH = C_pT.

L'espansione di Joule-Thomson

Passaggio di gas attraverso il setto poroso, questo fa in modo che il gas persi alla stessa velocità dalla sezione A₁ e A₂. Tutto questo fa in modo che il questo passaggio ci pova considerare adiabatico (δq = 0). Dove dH = 0 e T dS _s = - ν dP. Quindi la produzione entropica è dovuta all'attrito.

Analisi termodinamica dei processi di conversione

Ciclo semplice motore (Brayton utilizzata)

Sistema tra due temperature _T1 e _T2 con _T1 > _T2, scambiando _Q1 e _Q2 tra le due

Il ciclo comprende trasformazioni isoterme e adiabatiche per avere la direzione degli scambi di calore utilizzo il secondo principio:

^Q₁/T₁ - Q₂/T₂ ≥ 0 ovvero -δ_E = Q₂/T₁ + Q₂/T₂ ≤ 0

Da cui sommando:

Q₁/T₁ + Q₂/T₁ - Q₂/T₂ ≤ 0 ⟹ Q₁ + Q₂/T₂ + Q₂(1/T₂ - 1/T₁) ≤ 0

Essendo il ciclo motore per ipotesi (Q₁ + Q₂) = L > 0. Inoltre _T2 < _T1

Q₂ non può essere ridotto quanto si vuole è limitato da δ_E = 0.

Determiniamo la relazione: _Q2 ≤ -L _T2/ (T₁ - T₂)

Per determinare l'efficienza di un ciclo motore introduco:

η = L/Q₁

L = lavoro netto ottenuto

Q₂ = calore fornito.

La massima efficienza per un processo con due fonti è data dalla frazione utilizzata η_o = 1 - T₂/T₁ (Effetto Carnot)

Nel ciclo di Carnot si considera anche lo scambio di lavoro effettivo

con η = η_o - T₂/Q₂ (Effetto Clausius)

Cicli diretti composti

(Brayton utilizzata)

Le macchine termiche reali possono avere molteplici scambi di calore da diverse sorgenti non connesse. Cicli composti.

Esempio, ciclo composto con tre due sorgenti _T2 e _T2 con _TA > _T2,

Il calore positivo ABC = 6 Σ³_j=3 A_j

e quello negativo 6 Σ⁴_j=4 A_j