Principi Fondamentali della Termodinamica: Sistemi Aperti e Leggi Chiave

Sistemi Aperti e la Prima Legge della Termodinamica

Nei sistemi aperti si verifica il flusso di massa ed energia.

Flusso di Massa

Il flusso di massa è la quantità di massa che attraversa un sistema per unità di area, volume e tempo. In un sistema aperto, vige la conservazione della massa: se il fluido è incomprimibile, la densità in ingresso è uguale alla densità in uscita.

Flusso di Lavoro

Il flusso di lavoro rappresenta il lavoro compiuto dal fluido per attraversare il sistema. In base alla conservazione dell'energia, l'energia in ingresso deve essere pari all'energia in uscita.

Entalpia

L'entalpia è una proprietà termodinamica che descrive la variazione di energia che si verifica in un processo tra l'ingresso e l'uscita di un sistema aperto. È una proprietà di stato, il che significa che dipende solo dallo stato iniziale e finale del sistema.

Apparecchiature a Flusso Costante

Caldaia

La caldaia è un dispositivo che fornisce calore a un fluido (solitamente acqua) per aumentarne la temperatura o vaporizzarlo. È un dispositivo statico che non produce lavoro.

Turbina (a Gas o Vapore)

La turbina è un dispositivo che riceve un fluido ad alta pressione ed energia, il quale si espande a bassa pressione generando lavoro sull'albero. L'obiettivo è determinare il lavoro prodotto dall'albero.

Compressori e Pompe

I compressori e le pompe sono dispositivi che aumentano continuamente la pressione del fluido di lavoro. L'interesse principale è determinare il lavoro richiesto dall'albero per il loro funzionamento.

Ugello

L'ugello ha lo scopo di accelerare un fluido grazie alla diminuzione dell'area di passaggio e alla conseguente caduta di pressione. Il flusso del fluido è così rapido che il dispositivo funziona, ma può perdere calore.

Valvole

Le valvole fungono da elementi regolatori, causando una caduta di pressione nel fluido a causa delle dimensioni del dispositivo e della velocità di attraversamento. Non comportano scambi di calore o lavoro significativi (o finiti). Si tratta di un processo isoentalpico in cui l'energia in ingresso e in uscita sono equivalenti.

Cicli Termodinamici

Ciclo Motore (o Ciclo di Lavoro)

L'obiettivo del ciclo motore è la trasformazione del calore in lavoro all'interno di un motore termico. Esempi includono i motori a ciclo a vapore, i motori a ciclo Diesel e le turbine a gas.

Caratteristiche del Lavoro Prodotto nel Ciclo

• Il sistema o il fluido riceve calore ad alta temperatura.
• Il sistema o il fluido di lavoro cede calore a bassa temperatura.
• Il ciclo produce lavoro utile per l'ambiente esterno.

Aspetti Chiave delle Centrali Elettriche

Le centrali elettriche considerano due aspetti principali: efficacia ed efficienza.

• L'efficacia è legata ai costi associati.
• L'efficienza è legata alle prestazioni della macchina o del processo.

Il rendimento della centrale è definito come il rapporto tra il valore assoluto del lavoro netto prodotto e il calore assorbito.

Potenza Sviluppata dalla Centrale

La potenza sviluppata dalla centrale è il prodotto del lavoro netto per la frequenza con cui il ciclo si ripete.

Potere Calorifico

Il potere calorifico è la quantità di energia assorbita da un motore, o la massa necessaria/consumata per farlo funzionare.

Ciclo di Refrigerazione

Lo scopo del ciclo di refrigerazione è trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura a una ad alta temperatura, utilizzando lavoro. Esempi includono frigoriferi, pompe di calore, sistemi di ventilazione e aria condizionata.

Caratteristiche del Ciclo di Refrigerazione

• La sostanza di lavoro riceve calore a bassa temperatura.
• Il sistema cede calore a una sorgente ad alta temperatura.
• Richiede un lavoro supplementare per essere operativo.

Coefficiente di Prestazione (COP)

I cicli di refrigerazione non sono caratterizzati da "efficienza" o "prestazioni" nel senso tradizionale, ma da un Coefficiente di Prestazione (COP). Questo è il rapporto tra l'effetto desiderato (output) e il lavoro netto (Wn) fornito.

Pompe di Calore

Per le pompe di calore, il COP è definito come il rapporto tra il calore ceduto alla sorgente calda (Qh) e il lavoro netto (Wn) fornito.

La Seconda Legge della Termodinamica

La Seconda Legge della Termodinamica si basa sull'esperienza e descrive la direzione spontanea dei processi, fornendo gli strumenti necessari per misurare la qualità dell'energia e l'efficienza delle trasformazioni termodinamiche.

Riconosce la natura unidirezionale del trasferimento di calore e della conversione del lavoro in calore.

Entropia

L'entropia (spesso associata al "disordine") è fondamentale per ottimizzare i processi energetici, considerando la reversibilità o irreversibilità degli stessi.

Processo Reversibile

Un processo reversibile è quello in cui il sistema e l'ambiente possono essere riportati allo stato iniziale senza lasciare alcuna traccia nell'universo. Ciò implica che il processo si svolge attraverso una serie di stati di equilibrio termodinamico.

Equilibrio Termodinamico

Affinché si verifichi l'equilibrio termodinamico, non devono esserci nel processo:

• Variazioni del prodotto meccanico dovute a variazioni di pressione.
• Reazioni chimiche (il processo è a volume costante).
• Squilibri termici (la temperatura è costante).

Processi Irreversibili

I processi irreversibili possono essere causati da:

• Irreversibilità interne al sistema: come attriti interni, combustione, diffusione.
• Irreversibilità esterne al sistema: di natura meccanica e termica.

Principi della Seconda Legge

Secondo la Seconda Legge, se un processo è spontaneo, è necessariamente irreversibile. Ciò implica che:

• Il calore fluisce spontaneamente da alte a basse temperature.
• Il lavoro è spontaneamente convertito in calore.

Enunciato di Clausius

L'enunciato di Clausius, riferendosi ai cicli dei motori termici, afferma che il calore non può essere trasferito spontaneamente da un corpo freddo a uno più caldo. L'unico modo per farlo è attraverso una macchina che riceve lavoro dall'esterno. Se non c'è lavoro esterno, il processo è reversibile; se c'è lavoro, il processo è irreversibile.

Enunciato di Kelvin-Planck

L'enunciato di Kelvin-Planck afferma che nessuna macchina termica può convertire integralmente il calore assorbito in lavoro; una parte del calore deve essere ceduta a una sorgente più fredda naturalmente accessibile.

Ciclo di Carnot

Il ciclo di Carnot è il ciclo ideale che pone le basi e convalida il secondo principio della termodinamica, stabilendo una relazione tra calore e temperatura. Il ciclo si basa su quattro processi reversibili (due adiabatici e due isotermi) e permette di determinare le prestazioni termiche in funzione delle temperature delle sorgenti di calore.

Entropia e Processi Isoentropici

L'entropia è una funzione di stato che descrive l'irreversibilità dei processi e la "dispersione" di energia termica. Nel ciclo di Carnot, composto da quattro processi:

• Due processi adiabatici, dove lo scambio di calore è nullo e l'entropia rimane costante (processi isoentropici).
• Due processi isotermici, dove il calore viene trasferito e si verifica una variazione di entropia.

In ogni processo in cui non c'è scambio di calore, l'entropia è costante, definendo così un processo isoentropico.