PRINCIPI DI ENERGETICA - NOZIONI DI BASE

Presentazione sul tema: "PRINCIPI DI ENERGETICA - NOZIONI DI BASE"— Transcript della presentazione:

1 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

2 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.

3 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 …)

4 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

5 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)

6 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.

7 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

8 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

9 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).

10 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

11 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

12 [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)

13 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]

14 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]

15 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]

16 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

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

18 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

19 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

20 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