Termofluidodinamica applicata alle macchine Appunti

Termodinamica e fluidodinamica applicate alle macchine

Anno accademico 2012/2013

Termodinamica e fluidodinamica applicate alle macchine Anno accademico 2012/2013

Richiami di termodinamica

L'approccio usuale nello studio dei fenomeni fisici è considerare una porzione di materia separata dallo spazio circostante, chiamata sistema. La superficie di separazione di questo sistema costituisce la pacifia del sistema ed attraverso di essa il sistema interagisce con l'ambiente circostante.

La termodinamica è quella branca della fisica che studia le trasformazioni di calore in lavoro e di lavoro in calore. L'equilibrio di un sistema è individuato dal fatto che alcune grandezze, dette grandezze di stato, mantengono il loro valore. Nel caso di sistemi termodinamici, queste grandezze di stato sono il volume, la pressione e la temperatura del sistema. Inoltre, sono deputate numerose altre funzioni di stato come l'energia interna, l'entalpia, l'entropia, la funzione di Gibbs, la funzione di Helmholtz...

Il fatto che tali grandezze siano funzioni di stato implica che il loro valore dipenda dallo stato in cui si trova il sistema e non dall'evoluzione che ha portato il sistema da uno stato allo stato d'equilibrio in questione. NB: L'approccio tipico della termodinamica è l'approccio macroscopico, mentre le grandezze di stato P, T, V sono in realtà una media dei valori distribuiti a livello molecolare. Ad esempio, la pressione è il valore medio delle collisioni delle molecole, reperito dagli urti contro le pareti del recipiente, per unità di superficie.

Considerando un sistema in condizione di equilibrio, amministrando calore e facendo lavoro sul massimo, esso subisce uno spostamento da uno stato di equilibrio ad un altro. Tale evoluzione è individuata, nel corso del tempo, dai valori delle grandezze di stato. Le tre grandezze di stato - pressione, volume e temperatura - vengono chiamate quantità sensibili di stato in quanto possono essere misurate. Ci chiediamo se è necessario calcolare tutte e tre le grandezze sensibili P, V, T per definire lo stato di un sistema. La risposta ovviamente è NO, poiché, ad esempio, per un gas noto P e T, il volume resta definito poiché esiste una relazione costitutiva detta "equazione di stato" che stabilisce un legame tra queste tre grandezze. Ad esempio, l'equazione dei gas ideali o perfetti dice che PV è uguale ad una costante per la temperatura.

Allora ci chiediamo, dato un insieme, qual è il numero di informazioni (valori delle quantità di stato) necessarie per identificare univocamente lo stato di un sistema. In questo caso, ci interesseremo di quella materia che evolve attraverso le macchine per produrre lavoro o assorbire calore. Quando ci interesseremo di sistemi costituiti da fluidi, (sistemi di aggregazione che sottoponiamo allo stato liquido e aeriforme).

Fluido = sostanza che assume la forma del recipiente purché lo contiene mantenendo pressoché inalterato il volume; Aeriforme = sostanza che assume la forma del recipiente che lo contiene occupando tutto lo spazio messo a disposizione di esso.

Formula di Gibbs

Fornisce il numero di informazioni strettamente necessarie per individuare lo stato di un sistema.

V = C - F + 2

Varianza o ordine di varianza:

• C: Numero di componenti indipendenti = Numero di sostanze presenti nel sistema costituenti da una definita struttura chimica;
• F: Numero di fasi = Numero di fasi di aggregazione della materia presenti nel sistema, ovvero parti omogenee fisicamente identificabili e chimicamente separabili.

Esempi di applicazione

1. Abbiamo un sistema costituito da un gas che è ossigeno puro. Sistema ≡ O₂
   V = C - F + 2 = 1 - 1 + 2 = 2 ⇒ lo stato del sistema costituito da ossigeno puro è completamente definito quando conosciamo i valori di due parametri di stato (ad esempio P, T oppure P, V oppure V, T, sapendo che esiste l'equazione di stato che stabilisce un legame tra le tre grandezze P, V, T).
2. Sistema costituito da una miscela: 21% O₂, 78% N₂ (composizione aria), 1% Ar (c'è solo la fase di aggregazione aeriforme).
   V = C - F + 2 = 3 - 1 + 2 = 4 ⇒ servono quattro informazioni per specificare lo stato del sistema. Queste quattro informazioni sono due valori di stato e poi due delle tre composizioni.

NB: Non dimenticare di considerare la variabilità dei sistemi complessi!