1 Termodinamica Temperatura: viene misurata con un termometro Che funziona grazie allo 0. Legge della termodinamica: se due corpi A e B si trovano in equilibrio.

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1 1 Termodinamica Temperatura: viene misurata con un termometro Che funziona grazie allo 0. Legge della termodinamica: se due corpi A e B si trovano in equilibrio con un terzo corpo T, allora essi sono in reciproco equilibrio termico. Scala: scala Kelvin o scala Celsius

2 2 Se si aumenta la temperatura di un corpo da T i a T f, si aumenta la sua energia termica o calore per C= capacita termica dell oggetto Anche lenergia termica viene misurata in joule (*)Il Halliday Resnick usa Q invece di Q (*)

3 3 Capacità termica per unità di massa o calore specifico, c : Per lacqua: Una certa quantita di calore Q riscalda 1g di sostanza A di 3 0 C e 1g di sostanza B di 4 0 C. Quale sostanza ha calore specifico maggiore?

4 4 Calore specifico molare calore specificocalore specifico molare Piombo12826.5 Tungsteno13424.8 Argento23625.5 Rame38624.5 alluminio90024.4 unita elementare Per misurare calore specifico: volume costante o pressione costante

5 5 Calore latente Materia usualmente stato solido stato liquido stato aeriforme (gas o vapore) Calore latente = quantita di calore per massa unitaria che si deve trasferire affinche un campione subisca un cambiamento di fase completo Esempio: calore latente di evaporzione dellacqua = L v =2260 kJ/kg

6 6 Quanto calore occorre per far passare del ghiaccio di massa m=720g e temperatura di -10 0 C allo stato liquido alla temperatura di 15 0 C ? Calore specifico ghiaccio = 2220 J/(kg*K) Calore latente di fusione = 333 kJ/kg Calore specifico acqua = 4190 J/(kg*K) a) -10 0 C -> 0 0 C b) Ghiaccio -> acqua c) 0 0 C -> 15 0 C

7 7 Magazzini di calore: 1m 3 (1000 kg) daqua riscaldare da 40 a 90 gradi: Per un ora: o

8 8 Fondere: 1000 kg paraffina (ca 400K) 1000 kg sale (ca 1000K) Riscaldare 1000 kg daqua da 40 a 90 gradi

9 9 Trasmissione del calore Lastra di area A e spessore l, le cui superfici vengono manetenute alle temperature T 1 e T 2, T 1 >T 2. Calore Q viene trasferito lungo la lastra, nel tempo t. Calore trasmesso nellunità di tempo: k : conducibilita termica

10 10 In una futura centrale solare termica il sole riscalda la superficie di un boiler dacqua. Che potenza può essere trasmessa all interno del boiler, se la superficie esterna ha una temperatura più alta di 50 gradi rispetto la superficie interna. La parete di superficie 1 m 2 e fatta di alluminio, spessore 1 cm. k(alluminio)=235 W/mK

11 11 Irraggiamento o radiazione termica La potenza P r emessa da un corpo con superficie A e temperatura T per irraggiamento elettromagnetico : : costante di Stefan-Boltzmann : emittanza o emissività, tra 0 e 1 (proprietà della superficie) Sole: ca. 5,000 K, per m 2 : Raggio sole = 700,000 km, distanza terra 150,000,000 km (Raggio/distanza) 2 =2.2*10 -4 => P(terra)= 35 MW*2.2*10 -4 = 7kW per ogni m 2 Sulla superficie terrestre arrivano ca. 1 kW/m 2 =1)

12 12 Se imagazziniamo il calore in un contenitore con sale liquido, T=1000K: Per m 2

13 13 Cosè la temperatura? (perchè ha un punto zero?) Cosè il calore?

14 14 F ds A F A Unità: Pascal = newton al metro quadrato Pressione, p

15 15 Legge dei gas perfetti: Consideriamo un contenitore di volume V, con un gas di N molecole. Per la temperatura T e la pressione del gas, p, si trova: k: costante di Boltzmann Se è vero che il gas consiste di atomi, la forza sulle pareti del contenitore deve venire dai continui urti elastici dei atomi, Cerchiamo di calcolare questa forza:

16 16 x molecola p=mv una molecola : p = 2·m·v in un gas di volume V, N molecole, densità n=N/V, dove tutte le molecole si muovono nella stessa direzione con velocità v, arrivano alla superficie S : l S v V·n molecole in un tempo t=l/v numero di molecole per tempo e superficie = però: non tutte si muovono verso la superficie S ! parallelamente all asse x vanno 1/3 delle molecole 1/2 di loro in direzione +x 1/6 di n·v molecole si muove verso S e ognuna trasferisce il momento 2·m·v (*) (*) v è una velocità media

17 17 pressione = forza /superficie = p/(tempo · superficie) = (n/6)·v · 2mv = (1/3)·n·m·v 2 = (1/3)(N/V)·m·v 2 => p·V = (1/3)·N·m·v 2 = const (se T non cambia) Legge dei gas perfetti: Con: A una data temperatura T tutte le molecole dei gas, indipendentemente dalla loro massa, hanno la stessa energia cinetica traslazionale media, 3/2kT. Quando misuriamo la temperatura di un gas, non misuriamo altro che lenergia cinetica traslazionale media della sue molecole.

18 18 Non solo: Qualsiasi sistema ha sempre unenergia media di per grado di libertà. Anche per esempio, un pendolo a filo. O un interruttore, o un transistore, o qualsiasi altro sistema in grado di immagazzinare un bit.

19 19 La discussione delle macchine termiche è particolarmente ben fatta nellHalliday Resnick Perciò usiamo come Halliday Resnick la variabile L per il lavoro compiuto dal gas durante un spostamento del pistone Per andare da uno stato iniziale i a uno stato finale f: Con A area superficiale del pistone, p presssione del gas, spostamento del pistone ds :

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21 21 Prima legge della termodinamica Se la conservazione dellenergia si applica anche per i gas, e se veramente lenergia calore è nientaltro che la energia cinetica delle molecole del gas, ovviamente deve essere vero che: Lenergia interna di un sistema cresce quando vi trasferiamo energia mediante limmisisone di calore Q e diminuisce quando asportiamo energia mediante il lavoro L compiuto dal sistema. Se riusciamo a costruire un processo ciclico (stato iniziale = stato finale, ovvero ) nel quale possiamo immmettere calore, questo processo dovrebbe far lavoro !!!! Q=L !!!

22 22 Per essempio: ciclo di Carnot (ideale) Notiamo: in un motore ideale tutte le trasformazioni sono reversibili e non avvengono dispersioni di energia (dovute ad esempio ad attriti o a fenomeni di turbolenza) Molto sfortunatamente: ma invece: Questo limita lefficienza della macchina =(lavoro ottenuto)/(energia spesa) ad:

23 23 Q 1 /T 1 e Q 2 /T 2 sono lentropia imessa/emessa. Se lentropia del Universo non deve abassarsi, nel limite deve essere Q 1 /T 1 =Q 2 /T 2 E dato un certo T 2, Q 2 non puo essere abbassato piu di così. E perciò: Si può anche scrivere come

24 24 Ci sono tanti altri processi ciclici, come il motore Stirling

25 25 1. The working gas is heated at a constant volume to a higher temperature. This increases its pressure. (points 4 to 1 on the graph) 2. The working gas expands at a constant temperature to a larger volume. This decreases its pressure. The gas does work to move the piston up. (points 1 to 2 on the graph) 2a. The gas is now fully transferred to the cool cylinder. (Point 2 on the graph) 3. The working gas is cooled at constant volume to a lower temperature. This decreases its pressure. (Points 2 to 3 on the graph) 4. The working gas contracts at a constant temperature to a smaller volume. This increases its pressure. (Points 3 to 4 on the graph)The Piston does work to compress the gas as it moves down. But this is less than that delivered to the piston on cycle 2 4a. The gas is now fully transferred to the hot cylinder. (Point 4 on the graph)

26 26 1. Power piston (dark grey) has compressed the gas, the displacer piston (light grey) has moved so that most of the gas is adjacent to the hot heat exchanger. 2. The heated gas increases its pressure and pushes the power piston along the cylinder. This is the power stroke. 3. The displacer piston now moves to shunt the gas to the cold end of the cylinder. 4. The cooled gas is now compressed by the flywheel momentum. This takes less energy since when it cooled its pressure also dropped.

27 27 Situazione attuale: Fotovoltaico: 700 Euro/m 2, Efficienza 20% Grandi laboratori statali sviluppano alternative:torre solare, trough design, specchi parabolici Ingombrante ed inefficiente => caro Da cercare: soluzione più semplice, migliore, meno costosa Una applicazione: energia solare

28 28 Caddet system Australien 360.000 Euro, specchi 190.000 Euro per m 2 : (190.000/400) Euro/m 2 = 475 Euro/m 2

29 29 Juelich : 20.000 m 2, 25 Milioni di Euro Niente di nuovo, Nonostante costi >> 1.000 Euro/m 2 Ed efficienza < 10%

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31 31 N E h x y z horizon S We will use a variant of the horizon coordinate system Two angles: altitude h and angle f (instead of azimuth A) h is the angle measured from the horizon to the star along a great circle (vertical circle of star) f is the angle measured along the horizon clockwise from south to the vertical circle A is the angle measured along the horizon clockwise from north to the vertical circle. A=p+f The coordinates of a star are then: (h, f)

32 32 A Hot spot Asse A Asse A Asse A a)b) Specchio Asse Hot spot Sole

33 33 The form of the reflected versor is the same as that of a star: can be calculated numerically from the matrix product above The coordinates (h, ) of the reflected ray are then:

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36 36 65 64 21 20 10 f2f2 f1f1 64

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39 39 un m 2 di specchio dovrebbe costare 30 Euro ca Si aggiunge la struttura portante e due motori <200 Euro per m 2 dovrebbe essere possibile con 1000 ore di sole allanno e in media 0.5 kW/m 2 : in 20 anni per m 2 10000 kWh energia di calore => 20.000/10.0000 cent/kWh = 2 cent/kWh meno caro di Diesel

40 40 Fondere: 1000 kg paraffina (ca 400K) 1000 kg sale (ca 1000K) Riscaldare 1000 kg daqua da 40 a 90 gradi

41 41 Bioethanolo

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43 43 Ca. 5.000 Euro pro kW…

44 44 Ebenfalls 5.000 Euro pro kW