PRINCIPI DI ENERGETICA - NOZIONI DI BASE SCAMBI DI ENERGIA Calore Lavoro IL 1° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Sistemi chiusi Sistemi aperti IL 2° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA La “qualità” dell’energia 1° enunciato di Clausius 2° enunciato di Clausius MACCHINE TERMICHE Cicli diretti: trasformazioni e rendimenti Cicli inversi: trasformazioni ed efficienze IL MOTO DEI FLUIDI L’equazione di Bernoulli Le perdite di carico L’ARIA UMIDA Variabili psicrometriche Il diagramma di Mollier MODALITA’ DI PROPAGAZIONE DEL CALORE Conduzione Convezione Irraggiamento

SISTEMA TERMODINAMICO SCAMBI DI ENERGIA AMBIENTE ESTERNO SISTEMA TERMODINAMICO SUPERFICIE DI CONTROLLO Sistema termodinamico, è sede di trasformazioni interne e/o trasformazioni esterne scambio di energia o di massa con l’ambiente esterno. Si definiscono: SISTEMI APERTI scambio di energia e di massa con l’ambiente esterno. SISTEMI CHIUSI scambio di energia, ma non di massa con l’ambiente esterno. SISTEMI ISOLATI nessun tipo di scambio con l’ambiente esterno.

SCAMBI DI ENERGIA Lo scambio di energia può avvenire sotto forma di calore o di lavoro. CALORE scambio di energia indotto da una differenza di temperatura. LAVORO scambio di energia indotto da una forza che produce uno spostamento. Lo stato del sistema è caratterizzato da un numero limitato di proprietà termodinamiche, dette variabili di stato o funzioni di stato. VARIABILI TERMODINAMICHE ESTENSIVE Dipendono dalla quantità di materia (massa) contenuta nel sistema: massa, volume, energia interna, entalpia… VARIABILI TERMODINAMICHE INTENSIVE Non dipendono dalla massa del sistema: pressione, temperatura e grandezze estensive riferite all’unità di massa (es. massa volumica, volume specifico …)

CALORE Il calore, o energia termica, è una forma di energia scambiata tra le parti di un sistema o tra il sistema e l’ambiente esterno per effetto di una differenza di temperatura. Lo scambio di energia termica avviene spontaneamente dalle zone a temperatura maggiore verso le zone a temperatura minore. L’unità tradizionalmente usata per misurare il calore è la kilocaloria, definita come la quantità di calore che viene fornita ad un kilogrammo di acqua distillata alla pressione di 1 atm per innalzare la sua temperatura da 14.5 a 15.5 °C. Il calore è un’energia, quindi può essere misurato in joule 1 kcal = 4186 J T1 T2 T1 > T2 Q

c = Q/(DT•M) [J/(°C kg)] [J/(K kg)] CALORE CAPACITA’ TERMICA (C): calore necessario ad aumentare di un grado centigrado la temperatura di un corpo. C = Q/DT [J/°C] [J/K] dipende dal tipo di materiale costituente il corpo e dalle dimensioni del corpo. CALORE SPECIFICO (c): calore necessario ad aumentare di un grado centigrado l’unità di massa di un corpo. c = Q/(DT•M) [J/(°C kg)] [J/(K kg)] dipende solo dal tipo di materiale costituente il corpo. aria: c = 1000 J/(°C kg) CLS: c = 900 J/(°C kg) acqua: c = 4186 J/(°C kg)

LAVORO TERMODINAMICO Il LAVORO è una forma di energia scambiata tra le parti di un sistema o tra un sistema e l’ambiente esterno per effetto di una forza che produce uno spostamento del suo punto di applicazione lungo la direzione della forza stessa. Il concetto di lavoro è tipicamente associato ai concetto di reversibilità (che rappresenta il caso ideale) e irreversibilità (che rappresenta il caso reale) delle trasformazioni termodinamiche.

1° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA SISTEMI CHIUSI Per un sistema - non soggetto a scambi di massa con l’esterno (sistema chiuso), - non soggetto ad effetti magnetici, elettrici o gravitazionali e non sede di reazioni chimiche, la variazione dell’energia totale (energia interna) del sistema è pari al calore fornito al sistema (Q) meno il lavoro compiuto dal sistema sull’ambiente esterno (L). Nel caso di una trasformazione ciclica: DU = 0 da cui Q - L=0

1° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA SISTEMI APERTI (regime stazionario) Per un sistema - soggetto a scambi di massa con l’esterno (sistema aperto), non soggetto ad effetti magnetici, elettrici o gravitazionali e non sede di reazioni chimiche, in regime stazionario l’entalpia uscente (Hentr), meno l’entalpia entrante (Husc) è uguale al calore fornito al sistema (Q), meno il lavoro all’asse compiuto dal sistema sull’ambiente esterno (La). Nel caso di una trasformazione ciclica: DH = 0 da cui Q - La=0

2° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Il primo principio esprime l’equivalenza a livello quantitativo tra calore e lavoro; il secondo principio, viceversa, introduce un diverso livello qualitativo da attribuire a calore e lavoro (è infatti possibile trasformare integralmente il lavoro in calore, mentre non è possibile il contrario). 1° enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una macchina termica che, effettuando un processo ciclico, abbia come unico effetto quello di sottrarre calore ad una sorgente calda (ad alta temperatura) e trasformarlo integralmente in lavoro. 2° enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una macchina termica che, effettuando un processo ciclico, abbia come unico effetto quello di sottrarre calore ad una sorgente fredda (a bassa temperatura) e di fornire calore ad una sorgente calda (ad alta temperatura).

MACCHINE TERMICHE A CICLO DIRETTO Sono utilizzate per produrre lavoro: una tipica applicazione consiste nella trasformazione dell’energia meccanica prodotta in energia elettrica. Tali macchine trovano applicazione in: motori a combustione interna (benzina e diesel) turbine a gas turbine a vapore Sorgente ad alta temperatura T1 Macchina termica L Q2 Q1 Rendimento: h = L / Q1 T2 Sorgente a bassa temperatura

MACCHINE TERMICHE A CICLO INVERSO Sono utilizzate per sottrarre calore ad una sorgente fredda e cederlo ad una sorgente calda. Se l’obiettivo della macchina è quello di sottrarre calore Q2 alla sorgente fredda (es. raffreddamento di un ambiente) si parla di macchina frigorifera (MF). Se l’obiettivo della macchina è quello di fornire calore Q1 alla sorgente calda (es. riscaldamento di un ambiente) si parla di pompa di calore (PC). Sorgente ad alta temperatura T1 Macchina termica L Q2 Q1 Efficienza della MF: e = Q2 / L Efficienza della PC: e = Q1 / L T2 Sorgente a bassa temperatura

[z+(p/rg)+(v2/2g)]1+DHpompa= [z+(p/rg)+(v2/2g)]2+DHperdite[1,2] IL MOTO DEI FLUIDI L’equazione di Bernoulli definisce la conservazione dell’energia posseduta dal fluido tra due sezioni 1 e 2. In forma generalizzata è scritta come: [z+(p/rg)+(v2/2g)]1+DHpompa= [z+(p/rg)+(v2/2g)]2+DHperdite[1,2] Pompa 2 1 Le perdite di energia posseduta dal fluido sono: - distribuite DH = f (L / D) (v2 / 2g) - concentrate DH = b (v2 / 2g)

L’ARIA UMIDA La psicrometria tratta le proprietà dell’ARIA UMIDA miscela bicomponente composta da aria secca + vapore acqueo GRANDEZZE PSICROMETRICHE temperatura t [°C] titolo o umidità specifica x [kg/kg] umidità relativa  o U.R. [ % ] entalpia specifica h [kJ/kg]

L’ARIA UMIDA TITOLO x = mv/ma [kg/kg] con mv= massa del vapore [g] ma= massa di aria secca [kg] dove Ra* = costante dei gas per l’aria secca [J/kgK] Rv*= costante dei gas per il vapore acqueo [J/kgK] pa = pressione parziale dell’aria secca [Pa] pv = pressione parziale del vapore acqueo [Pa] p = pressione totale della miscela (pressione atmosferica) [Pa]

L’ARIA UMIDA UMIDITA’ RELATIVA  = mv/mvs [ % ] con: mvs= massa di vapore [g] mvs= massa di vapore alla saturazione [g] Dalle leggi dei gas perfetti:  = pv/pvs pv= pressione del vapore [Pa] pvs= pressione del vapore alla saturazione [Pa] La pressione di saturazione è una funzione univoca crescente della temperatura. Quanto più elevata è la temperatura tanto maggiore è la quantità di vapore che può essere contenuto nell’aria umida ENTALPIA SPECIFICA h rappresenta il contenuto energetico della miscela [kJ/kg]

L’ARIA UMIDA DIAGRAMMA DI MOLLIER Diagramma psicrometrico per rappresentare gli stati e le trasformazioni dell’aria umida. N.B. Note due qualsiasi delle variabili si possono leggere sul diagramma i valori delle altre due variabili. umidità relativa temperatura entalpia titolo

L’ARIA UMIDA Alcune trasformazioni sul diagramma di Mollier: raffreddamento/riscaldamento a titolo costante raffreddamento e deumidificazione

PROPAGAZIONE DEL CALORE CONDUZIONE Avviene per “urti tra molecole”. E’ l’unica modalità di propagazione nei solidi; esiste anche nei fluidi ma è tipicamente trascurabile rispetto alla convezione. Nel caso di regime stazionario e unidimensionale (es. flusso termico, in termini di potenza [W], attraverso una parete piana): F [W] = (Ss/l)-1A DT = C A DT T1 T2 F

PROPAGAZIONE DEL CALORE CONVEZIONE Avviene per “spostamento di massa”. Occorre quindi che abbiano luogo spostamenti/rimescolamenti di materia: perciò la convezione avviene nei fluidi (liquidi e aeriformi), ma non nei solidi . La convezione può essere naturale o forzata. Nel caso di regime stazionario, lo scambio termico, in termini di potenza [W], tra fluido e parete a contatto col fluido stesso è: F [W] = hc A DT T1 T2 F Tfluido

PROPAGAZIONE DEL CALORE IRRAGGIAMENTO Avviene per propagazione di calore sotto forma di “radiazione elettromagnetica” tra due corpi che si trovano a differente temperatura. Nel caso di regime stazionario, lo scambio termico per irraggiamento , in termini di potenza [W], tra due corpi è: F [W] = FeF12A1s(T14-T24) Per basse differenze di temperatura, può essere utilizzata l’espressione linearizzata: F [W] = hr A DT