Lezione n.7 (Corso di termodinamica) Cicli Diretti.

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1 Lezione n.7 (Corso di termodinamica) Cicli Diretti

2 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Indice   SET e SEM   macchina termica e suo rendimento termodinamico   trasformazioni cicliche: cicli diretti   macchine perpetue   enunciato di Kelvin   macchina e ciclo di Carnot   temperatura termodinamica

3 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti SET Si definisce SET (Serbatoio di energia termica) un sistema di capacità termica infinita capace di cedere o assorbire energia termica senza variazioni della propria temperatura; Si definisce SET (Serbatoio di energia termica) un sistema di capacità termica infinita capace di cedere o assorbire energia termica senza variazioni della propria temperatura; Il SET è un sistema a volume costante e generazione entropica interna nulla; Il SET è un sistema a volume costante e generazione entropica interna nulla; Esempi di SET sono il mare o un lago per un impianto termico, un bicchier d’acqua per una formica, …; Esempi di SET sono il mare o un lago per un impianto termico, un bicchier d’acqua per una formica, …;

4 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti SEM Si definisce SEM (Serbatoio di energia meccanica) un sistema capace di fornire o assorbire energia meccanica senza variazioni della propria pressione; Si definisce SEM (Serbatoio di energia meccanica) un sistema capace di fornire o assorbire energia meccanica senza variazioni della propria pressione; Il SEM è un sistema adiabatico a pressione costante e generazione entropica interna nulla; Il SEM è un sistema adiabatico a pressione costante e generazione entropica interna nulla; Esempi di SEM sono l’acqua di un lago per un impianto idraulico, il vento per un mulino, …; Esempi di SEM sono l’acqua di un lago per un impianto idraulico, il vento per un mulino, …;

5 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Macchina termica Una macchina termica è un dispositivo che converte con continuità energia termica in energia meccanica Una macchina termica è un dispositivo che converte con continuità energia termica in energia meccanica

6 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Rendimento termodinamico di una macchina termica In generale il rendimento di una qualsiasi sistema viene definito come il rapporto fra benefici ed i costi. In generale il rendimento di una qualsiasi sistema viene definito come il rapporto fra benefici ed i costi. In modo analogo, si definisce rendimento di una machina termica il rapporto fra il valore assoluto del lavoro netto ottenuto dalla macchina ed il del calore ad essa fornito: In modo analogo, si definisce rendimento di una machina termica il rapporto fra il valore assoluto del lavoro netto ottenuto dalla macchina ed il del calore ad essa fornito: Poiche l’aliquota Q B che va a confluire nel serbatoio freddo (atmosfera, fiume, mare,...), questa determina problemi ambientali causati dall’inquinamento termico industriale. Poiche l’aliquota Q B che va a confluire nel serbatoio freddo (atmosfera, fiume, mare,...), questa determina problemi ambientali causati dall’inquinamento termico industriale.

7 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Trasformazioni cicliche In una trasformazione ciclica gli stati iniziale e finale coincidono In una trasformazione ciclica gli stati iniziale e finale coincidono Un ciclo diretto la trasformazione viene percorsa in senso orario Un ciclo diretto la trasformazione viene percorsa in senso orario In una trasformazione internamente reversibile l’area del ciclo risulta pari al calore netto (per unità di massa) scambiato ovvero al lavoro netto In una trasformazione internamente reversibile l’area del ciclo risulta pari al calore netto (per unità di massa) scambiato ovvero al lavoro netto s T v p

8 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Macchina perpetua I tipo I tipo II tipo II tipo SET c TcTc SEM SIST QAQA L SI

9 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Enunciato di Kelvin Non è possibile convertire integralmente calore in lavoro Non è possibile convertire integralmente calore in lavoro È impossibile realizzare una macchina termica che utilizzi una sola riserva di calore a temperatura uniforme È impossibile realizzare una macchina termica che utilizzi una sola riserva di calore a temperatura uniforme

10 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Macchina di Carnot La macchina di Carnot è una macchina termica che opera ciclicamente tra le seguenti trasformazioni reversibili: 1-2: compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica) 2-3: espansione isoterma reversibile 3-4: espansione adiabatica reversibile (espansione isoentropica) 4-1: compressione isoterma reversibile v p 1 2 3 4 isoterma internamente reversibile adiabatica internament ereversibile isoterma internamente reversibile

11 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Ciclo di Carnot per un gas ideale

12 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Ciclo di Carnot per un vapore saturo

13 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Rendimento di una macchina di Carnot Il rendimento di una macchina termica reversibile dipende solo dalle temperature di adduzione e sottrazione Teorema di Carnot: Nessuna macchina termica può avere un rendimento maggiore di una macchina reversibile che opera tra le stesse temperature di adduzione e sottrazione

14 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Esempio Rendimento di una macchina termica: Example 1: Carnot Efficiency An inventor claims to have an engine that receives 100 Btu of heat and produces 25 Btu of useful work when operating between a source at 140°F and a receiver at 0°F. Is the claim a valid claim? Solution: TH = 140oF + 460 = 600°R TC = 0oF + 460 = 460°R h = (600-460)/600 x 100 = 23.3% Claimed efficiency = 25/100 = 25% Therefore, the claim is invalid. The most important aspect of the second law for our practical purposes is the determination of maximum possible efficiencies obtained from a power system. Actual efficiencies will always be less than this maximum. The losses (friction, for example) in the system and the fact that systems are not truly reversible preclude us from obtaining the maximum possible efficiency. An illustration of the difference that may exist between the ideal and actual efficiency is presented in Figure 22 and the following example.

15 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Temperatura Termodinamica QS r A B

16 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Esempi di macchine termiche: Ciclo Rankine

17 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Cicli di macchine termiche reali : Ciclo Bryton

18 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Ciclo Otto

19 Modulo di TermodinamicaLezione 7– Cicli diretti Ciclo Diesel