Termodinamica di base - · PDF fileProcesso o trasformazione termodinamica
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Termodinamica di base Certificazione Frigoristi Regolamento CE n.842/2006
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Termodinamica di base
Certificazione Frigoristi
Regolamento CE n.842/2006
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La materiaSTATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA
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STRUTTURA DELLA MATERIA
solido ha volume e forma propria
il liquido ha volume proprio mentre la forma è quella del
recipiente che lo contiene
il gas tende a riempire tutto lo spazio a disposizione
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UN GAS PERFETTO è UN GAS IDEALE CHE HA LE MOLECOLE CHE LO COMPONGONO COMPLETAMENTE LIBERE.
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Interpretazione Molecolare della pressione
Le molecole di un gas esercitano una forza sulle pareti del contenitore :
Le molecole urtano le pareti interne del recipiente. Un numero enorme di urti nell’unita’ di tempo viene misurato come pressione
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Riscaldamento di un pezzo di ghiaccio
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Caratteristiche dell’acqua
L'acqua allo stato liquido presenta diverse anomalie:
punto di ebollizione molto alto;
volume molare piuttosto basso;
calore specifico elevato con un minimo a 35 °C;
viscosità che presenta un minimo alle alte pressioni;
un punto di massimo nel diagramma densità-temperatura, per cui al di sotto della temperatura di massimo il liquido diminuisce di volume all'aumentare della temperatura.
Inoltre durante il processo di congelamento si ha un notevole aumento di volume.
Parte I ‐ Concetti di base
Parte II ‐Grandezze termodinamiche
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Termodinamica di base
Parte I
Concetti di base
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Parte I ‐ Concetti di base• Termodinamica
• Sistema termodinamico
• Calore e Lavoro
• Energia e Principi della Termodinamica
• Trasformazioni termodinamiche
• Equilibrio termodinamico
• Grandezze di stato e di processo
• Grandezze intensive ed estensive
• Transizioni di fase
• Unità di misura
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La TermodinamicaLa termodinamica• La termodinamica descrive le
trasformazioni subite da un sistema in seguito ad un processo di scambio di energia con altri sistemi oppure con l’ambiente esterno.
• Lo scambio di energia puòavvenire sottoforma di lavoro o sottoforma di calore.
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Sistema termodinamico / 1Il sistema termodinamico
• Un "sistema termodinamico" è una qualunque porzione dell'universo a cui ci si sta interessando come oggetto d'indagine (la rimanente parte dell'universo si definisce invece ambiente).
• Il sistema termodinamico è sede di trasformazioni interne e scambi di materia o energia, sottoforma di calore e lavoro, con l’ambiente esterno.
• Questi stessi scambi causano la trasformazione del sistema, poiché esso passa da una condizione di partenza ad una differente. In pratica un sistema si trasforma quando passa da uno stato d'equilibrio iniziale ad uno finale.
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Sistema termodinamico / 2Tipologie di sistemi• Un sistema si dice aperto se consente un flusso con l'ambiente esterno, sia
di massa sia di energia (tramite calore e/o lavoro), attraverso il suo confine;
• Un sistema si dice chiuso se consente un flusso di energia con l'ambiente esterno, attraverso il suo confine, (tramite calore e/o lavoro), ma non di massa;
• Inoltre, un sistema si dice isolato se non permette un flusso né di energia né di massa con l'ambiente esterno.
• Esempi?
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Calore e Lavoro / 1• Sistema ed ambiente scambiano
energia sottoforma di lavoro o sottoforma di calore.
Calore
• ll calore è il trasferimento di energia termica tra un sistema e l’ambiente in virtù di una differenza di temperatura
• Per convenzione il calore si prende con segno positivo quando èentrante nel sistema
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Calore e lavoro / 1Esempio di sistema
termodinamico semplice
Una pentola contenente acqua messa su un fornello da cucina:
• Gli scambi di calore avvengono attraverso le pareti della pentola, prelevando il calore dalla fiamma del gas e/o disperdendolo all’aria
• Gli scambi di materia avvengono attraverso la parte superiore della pentola. Se c’è un coperchio ermetico, il sistema non scambia materia.
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Calore e Lavoro / 2Lavoro• Il lavoro è l’energia trasferita
dall’ambiente al sistema (o viceversa) a seguito di uno spostamento o una modifica della forma del sistema, causata da forze agenti sul sistema.
• Il lavoro è il prodotto della forza per lo spostamento
• Per convenzione il lavoro si prende con segno positivo quando èuscente dal sistema
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F
Δx
L = ‐ F ∙ Δx
Calore e Lavoro / 3Esempio• In un motore a combustione
interna la pressione dei gas caldi che spingono il pistone per generare il movimento dell’albero produce lavoro
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Domande• Quale è il sistema termodinamico oggetto di questo corso?
• Dove scambio calore?
• Dove scambio lavoro?
• Cos’è l’energia?
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Energia e principi/1
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Definizione• L’energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro
I principio della termodinamica• L’energia non si crea né si distrugge, può solo cambiare forma. La
variazione di energia di un corpo deve essere compensata da un trasferimento di calore, o dal compimento di lavoro
ΔU = Q – L
Energia e principi/1
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Esempi di trasformazione dell’energia• Un corpo che cade da una certa altezza trasforma la sua energia potenziale gravitazionale in energia cinetica (ovvero acquista velocità), e questa cresce man mano che l’altezza da terra si riduce. Nelle centrali idroelettriche, una turbina trasforma l’energia cinetica in energia elettrica. L’energia elettrica si può utilizzare altrove per…
• Se si brucia un combustibile, la sua energia chimica si trasforma in energia termica. L’energia termica può essere utilizzata per riscaldare oppure può essere usata per produrre lavoro meccanico (motore a combustione interna), a sua volta utilizzato per produrre energia cinetica (movimento dell’automobile)
Energia e principi/2
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II principio della termodinamica• Vi sono diverse formulazioni equivalenti. Due tra queste sono le seguenti:– È impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la
trasformazione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea
– È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo
• Il II principio ci informa che ci sono diverse qualità dell’energia. Il lavoro èqualitativamente superiore al calore, perché tutto il lavoro può essere trasformato in calore, ma non viceversa
• Inoltre il calore fluisce naturalmente da una sorgente più calda ad una piùfredda, mentre per avere il flusso inverso è necessario realizzare delle macchine
• Infatti per fare del freddo, ovvero sottrarre calore da una sorgente piùfredda per cederlo ad una più cada, è necessaria una macchina frigorifera che realizzi l’operazione tramite del lavoro (del compressore)
Energia e principi/1
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Esempi di degradazione dell’energiaIn un motore a combustione interna, l’energia chimica del combustibile è
• IN PARTE trasformata in LAVORO (che si può trasformare totalmente in calore)
• l’altra PARTE è trasformata in CALORE (che NON può trasformarsi totalmente in lavoro)
In sintesi:• Il primo principio dice che l’energia si conserva in termini di quantità
• Il secondo principio dice che l’energia NON si conserva in termini di qualità, ma si degrada sempre in calore.
Energia e principi/3
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II II principio della termodinamica in termini di entropia• Un’altra formulazione del II principio è la seguente:
– Nei sistemi isolati l'entropia è una funzione non decrescente, ovvero può solo aumentare o rimanere inalterata
• L’entropia è una funzione di stato che da una misura dello stato di disordine di un sistema. In qualunque trasformazione reale, l’entropia complessiva di sistema e ambiente non può che aumentare
ΔSTot > 0
• L’ aumento di entropia porta con se una degradazione dell’energia che passa da un livello qualitativo superiore ad uno inferiore, ovvero che ha meno possibilità di produrre lavoro
• Ad esempio, se utilizzo dell’energia elettrica per riscaldare tramite una resistenza, il calore così prodotto non potrà essere utilizzato per produrre energia elettrica in quantità pari a quella originale. Nella trasformazione infatti l’entropia è aumentata e l’energia si è degradata
Trasformazioni termodinamiche
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Processo o trasformazione termodinamica• Per trasformazione termodinamica si intende un processo tramite il quale
un sistema termodinamico passa da uno stato di equilibrio ad un altro.
Trasformazioni notevoli• Isobare, se la pressione si mantiene costante
• Isocore, se il volume si mantiene costante (e il lavoro scambiato tra sistema ed esterno è dunque nullo)
• Isoterme, se la temperatura si mantiene costante
• Adiabatiche, se il calore scambiato è nullo
• Isoentropiche, se la variazione di entropia è nulla
• Cicliche, se lo stato iniziale coincide con quello finale
• Reversibili, se possono essere ripercorse all’indietro riportando il sistema nello stato iniziale
Equilibrio termodinamicoSistema in equilibrio• Un sistema si dice in equilibrio se il valore delle proprietà termodinamiche
che descrivono il sistema non cambia nel tempo, se non attraverso un’azione esterna.
• E’ implicita nella definizione di equilibrio la necessità che tra i punti diversi del sistema si abbia uniformità di condizioni (omogeneità del sistema), dato che eventuali disomogeneità comporterebbero l’innescarsi di meccanismi di ridistribuzione che contraddirebbero la definizione di equilibrio.
• Lo stato di un sistema in equilibrio è definito tramite un certo numero di coordinate termodinamiche (chiamate anche proprietà termodinamiche, grandezze di stato, variabili di stato, funzioni di stato).
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Trasformazione ReversibileTrasformazione reversibile• Una trasformazione reversibile è per
definizione una trasformazione che può essere ripercorsa in senso opposto riportando il sistema nello stato iniziale
• Una trasformazione reversibile deve essere quasistatica, ossia deve essere effettuata con delle variazioni infinitesime delle condizioni del sistema in modo che questo possa essere considerato in equilibrio termodinamico in ogni istante.
• Una trasformazione reversibile è irrealizzabile nella pratica; essa rappresenta tuttavia un utile modello ideale con cui è possibile approssimare o confrontare le trasformzioni reali
• Tutte le trasformazioni reali sono irreversibili
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A
B
Grandezze di Stato e di Processo / 1Grandezze di stato• Lo stato di un sistema termodinamico è definito da
un insieme di valori che lo caratterizzano.
• Tali valori, detti variabili di stato o coordinate termodinamiche sono per definizione grandezze di stato, ovvero il loro valore dipende solo dallo stato in cui si trova il sistema, e non dal modo in cui si èarrivati allo stato medesimo.
• Le grandezze di stato più importanti sono:− Massa− Temperatura− Pressione− Volume− Entalpia− Energia Interna− Entropia
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A
B
(1)
(2)
ΔX = X(B)‐X(A)
Grandezze di Stato e di Processo / 2Grandezze di processo• Se invece il valore di una
grandezza in un dato stato dipende dal modo in cui si èarrivati allo stato, tale grandezza si dice grandezza di processo.
• Esempi notevoli di grandezze di processo sono il calore ed il lavoro.
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A
B
(1)
(2)
ΔX = X(B)‐X(A)
Grandezze intensive ed estensiveLe grandezze possono essere:• estensive, se dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. massa,
volume, energia interna, entalpia);
• intensive, se non dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. pressione e temperatura);
• Ci sono poi le grandezze specifiche: rapportando una proprietà estensiva con le dimensioni del sistema (espresse ad esempio tramite la massa o il volume) si ottiene una proprietà intensiva che è detta la corrispondente specifica della proprietà estensiva corrispondente: possono essere considerate tali il volume specifico, la densità ("massa specifica") e il calore specifico.
Vs = V/m ρ= m/V Cs = Q/(ΔT∙m)
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Transizioni di fase/1
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Fasi (o stati) della materia•Solido: sostanza che mantiene la propria forma grazie ad un alto grado di coesione e senza necessità di sostegni esterni.
•Liquido: sostanza con minor grado di coesione, si adatta alla forma del recipiente, gravando sul fondo di esso.
•Gas (o vapore): sostanza che deve essere imprigionata in un recipiente ermeticamente chiuso, aprendo il quale, a differenza del liquido, sfuggirebbe in tutte le direzioni.
Transizioni di fase/2
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Transizione di fase (o di stato)•Fornire o sottrarre calore ad una sostanza può provocare un cambiamento di fase ovvero una variazione nello stato di aggregazione della materia
Unità di misura/1Le unità di misura servono per fornire una quantificazione univoca delle grandezze fisiche. Si distinguono diversi sistemi di unità di misura:•Sistema internazionale ‐ Il sistema di misura più ampiamente diffuso, solitamente indicato come SI, che è fondato su sette unità base (fondamentali), e in cui tutte le altre unità derivano da queste. Tra le unitàfondamentali, quelle utili ai nostri scopi sono: m, kg, s, K.
•Il sistema centimetro‐grammo‐secondo (CGS) .Si basa su queste tre unità, derivando da queste le altre.
•Ci si riferisce ai sistemi SI e CGS anche come Sistema Metrico Decimale
•Altri sistemi di misura sono il Sistema Imperiale Britannico, ed il Sistema Consuetudenario Americano che contengono unità di misura quali il pollice, il miglio, l’oncia, la libbra, il grado Fahrenheit per la temperatura, la British Thermal Unit (BTU) per l’energia, la BTU/h per la potenza
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Unità di misura/2Il SI prevede l’utilizzo di prefissi per indicare multipli e sottomultipli dell’unità di misura.
•Prendendo ad esempio il metro, unità di misura della lunghezza, i prefissi piùutilizzati sono:
– T “tera” = 1012 => 1Tm = 1.000.000.000.000 m
– G “giga” = 109 => 1Gm = 1.000.000.000 m
– M “mega” = 106 => 1Mm = 1.000.000 m
– k “chilo” = 103 => 1km = 1.000 m
– d “deci” = 10‐1 => 1dm = 1/10 m
– c “centi” = 10‐2 => 1cm = 1/100 m
– m “milli”= 10‐3 => 1mm = 1/1.000 m
– µ “micro”= 10‐6 => 1µm = 1/1.000.000 m
– n “nano”= 10‐9 => 1nm = 1/1.000.000.000 m
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Parte II
Grandezze termodinamiche
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Parte II – Grandezze Termodinamiche• Massa
• Temperatura
• Pressione
• Volume
• Calore
• Entropia
• Energia Interna
• Entropia
• Exergia
• Potenza
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Grandezze termodinamiche
Le grandezze che andremo a considerare sono le seguenti:
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Grandezza Di stato / di processo Intensiva/Estensiva
Massa S E
Temperatura S I
Pressione S I
Volume S E
Lavoro P E
Calore P E
Entalpia S E
Energia Interna S E
Entropia S E
Exergia S E
Massa/1Massa• La massa di un corpo è una misura
della quantità di materia contenuta in quel corpo.
• La massa da la misura dell'inerzia offerta dai corpi al cambiamento del proprio stato di moto
• La massa è una grandezza estensiva, ovvero dipende dalle dimensioni del sistema
• Nel sistema internazionale la massa si misura in:
kg – chilogrammo
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mFaamF
Fa
m
Massa/2Peso e Massa• La massa è una proprietà del sistema, e non dipende da dove il sistema si
trovi.• Il peso, o forza peso, è la forza che il campo gravitazionale esercita sulla
massa. Ovvero è data dalla forza di attrazione che la terra esercita su ciascun corpo.
FP = m∙g
• La stessa massa sarà sottoposta ad una forza peso diversa se si trova sulla terra o sulla luna, o anche in diverse zone della terra. Nel vuoto non abbiamo forza peso.
• La forza nel SI andrebbe misurata in Newton. E’ prassi comune utilizzare il chilogrammo forza (kgf) o chilogrammo peso (kgp). Esso corrisponde alla forza che agisce su una massa di un kg sulla superficie terrestre alla latitudine di 45° (a metà strada tra equatore e polo) e al livello del mare.
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Massa/3Densità e peso specifico• La densità è definita come il rapporto tra la massa del corpo ed il volume
del medesimo corpo. Essa è pertanto la massa dell’unità di volume del corpo
ρ = m/V
• Si misura in kg/m3 nel sistema internazionale, g/cm3 nel sistema CGS. Nell’uso pratico si usa spesso kg/l (kg/dm3), equivalente a g/cm3.
1 g/cm3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/l = 1.000 kg/m3
• Il peso specifico è invece il rapporto tra la forza peso che agisce su un corpo ed il suo volume. Ovvero la forza peso che agisce sull’unità di volume
PS = P/V
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Temperatura / 1Temperatura• La temperatura è la proprietà che
regola il trasferimento di energia termica da un sistema a un altro. Quando due sistemi si trovano in equilibrio termico e non avviene nessun trasferimento di energia, si dice che sono alla stessa temperatura. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal sistema che diremo ha temperatura più alta verso il sistema che diremo a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell’ equilibrio termico .
• La temperatura è una proprietàintensiva. Essa infatti non dipende dalle dimensioni o dalla quantitàdi materia del sistema.
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T1 T2Q
T1 > T2
Temperatura / 2Unità di misura• Nei paesi che usano il sistema metrico
decimale è in uso la scala centigrada, detta anche Celsius (°C). Questa scala divide in cento intervalli (da O° C a 100 °C) lo spazio compreso tra il punto di congelamento e il punto di ebollizione dell’acqua (a pressione atmosferica).
• Negli Stati Uniti la temperatura èmisurata secondo la scala Fahrenheit (°F) nome del fisico tedesco che la propose nel 1724 , il cui simbolo è °F
• Il sistema internazionale utilizza il kelvin (K) (non grado kelvin °K !). Il K prende come riferimento lo zero assoluto, che ha temperatura pari a 0 K.
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• °C = (°F ‐ 32) / 1,8• °F = °C ∙ 1,8 + 32• °C = K – 273,15• K = °C + 273,15• °F = (K ∙ 1,8) – 459,67• K = ( °F + 459,67 ) / 1,8
Pressione
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Pressione / 1
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La pressione è definita come il rapporto tra la forza che agisce su una superficie la sua area.•La pressione è una grandezza intensiva quindi si intende sempre riferita all'unità di superficie.
F S
P = F / S
Pressione / 2
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• Nel caso di un gas, applicare pressione provoca contrazione del volume. L’azione di contrazione si definisce più correttamente compressione, nel senso che la pressione è la misura dello stato di compressione nel quale la sostanza si trova.
• Visto dall’interno della sostanza, l’effetto della compressione si traduce in una tensionemeccanica cioè nella tendenza della sostanza a riacquistare il massimo volume consentitole.
• Lo stato di tensione si diffonde uniformemente nella massa gassosa, la quale quindi esercita una pressione uniforme sulle pareti del recipiente che la contiene, anche se la tensione è stata indotta applicando la pressione esterna in un solo punto.
P
σ
P
σ
Pressione / 3
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Calore di compressione• La compressione di una sostanza
gassosa, e di conseguenza un aumento della sua pressione, produce un aumento della sua temperatura dovuto alla trasformazione in energia interna dell’energia spesa dal pistone nell’atto di comprimere il gas.
• Questo aumento di energia interna si definisce calore di compressione.
P
T
P
T
Pressione / 4
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Pressione e passaggi di stato• L’esperienza mostra che un aumento di pressione
ostacola l’evaporazione e favorisce la condensazione, mentre una diminuzione della pressione consente al liquido di raggiungere, a temperature più basse, l’evaporazione
• La relazione tra pressione e temperatura di evaporazione si può intuire se si considera che la pressione sovrastante il pelo libero del liquido rappresenta un ostacolo supplementare (oltre la resistenza propria dei legami molecolari cui si deve la forma liquida della sostanza) al distacco delle molecole.
• Minore la pressione ambiente, minore la quantitàdi calore necessaria ad attivare l’evaporazione e, di conseguenza, minore la temperatura alla quale l’evaporazione si verifica
PATM
Pressione / 5
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Unità di misura• pascal (Pa), nel Sistema Internazionale, pari ad 1 newton su metro quadrato (1
N/m²) o [kg/(m∙s2)] (è largamente diffuso anche il kPa ovvero 1.000 Pa)
• bar (105 Pa = 10 N/cm²) (sono di larga diffusione anche alcuni dei sottomultipli del bar, in particolare il millibar ed il microbar).
• torr o mmHg, pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 1 mm (133,3 Pa)
• metri di colonna d’acqua (mca), pressione esercitata da una colonna di acqua alta 1 metro (9,81 kPa)
• atmosfera (atm), approssimativamente pari alla pressione esercitata dall'atmosfera terrestre al livello del mare (= 101.325 Pa = 760mmHg = 1,01325 bar)
• atmosfera tecnica pari a 1 kgf/cm2 e 0,96784 atm. Spesso distinta in ata (o at), intesa come pressione assoluta, e ate, come pressione relativa, che fissa lo zero al valore di 1 atm.
• Pound per square inch o PSI, pari alla pressione esercitata da 1 libbra su un’area di un pollice quadrato (1 psi = 1 lb/in2 = 6.894 Pa = 0,06894 bar)
Pressione / 6
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Confronto unità di misura (rapportate a 1Pa)
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Pressione = Forza / AreaP = F/A
unita’SI :
1 Nt/m2= 1 Pascal (Pa)
1 bar =1,02 kg/cmq
1 Pa = 1 N/m2= 0,102 kg/10000cmq=0,0000102 kg/cmq=0,00001 bar
1 MPa= 1000 kPa= 10 bar
Volume/1
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Definizione• ll volume è la misura dello spazio occupato da un corpo. – un materiale allo stato solido ha un volume e una forma propria
– un materiale allo stato liquido ha un volume proprio, ma acquisisce la forma del recipiente che lo contiene
– un materiale allo stato gassoso non ha né volume né forma propria, ma si espande fino a occupare tutto lo spazio disponibile
Unità di misura
• L'unità adottata dal Sistema Internazionale è il metro cubo, simbolo m3.
• E tuttavia accettato nell'uso anche il litro, equivalente a un decimetro cubo: per fare un metro cubo sono perciò necessari 1.000 litri.
1m3 = 1.000 dm3 (l) = 1.000.000 cm3 = 1.000.000.000 mm3
Volume/2
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Volume specifico• ll volume specifico è il rapporto tra il volume di una sostanza e la sua
massa, ovvero è il volume dell’unità di massa della sostanza.
• Il volume specifico è l’inverso della densità
VS = V/m = 1/ρ
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Proprietà fisiche: Dilatazione termica
23/04/2013 53
23/04/2013 54
23/04/2013 55
23/04/2013 56
Energia
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Energia
23/04/2013 58
Definizione• L’energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro
Forme di energia di rilievo in termodinamica• Calore
• Lavoro
• Energia Interna
• Entalpia
• Entropia
Altri concetti legati all’energia• Exergia
• Potenza
Calore/1
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Definizione• Il calore è una forma di energia che fluisce da un sistema a temperatura più
alta ad un sistema a temperatura più bassa.
• Il calore può esser visto come l’energia dei moti atomici e molecolari interni alla materia.
Unità di misura• Joule (J) : Utilizzato nel il stema Internazionale.
E’ frequente l’utilizzo del multiplo kJoule.
• Caloria (cal) : la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo di acqua distillata, sottoposta alla pressione di 1 atm, da 14,5 °C a 15,5 °C. E’ frequente l’utilizzo del multiplo kcal.
• Wattora (Wh), più frequentemente utilizzato sottoforma di multiplo: Chilowattora (kWh) : energia fornita dalla potenza di 1 kW per un’ora
• British Thermal Unit (BTU) utilizzato nei sistemi anglosassoni
Calore/2
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Confronto tra le unità di misura
Calore/3
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Calore sensibile e calore latente• Il calore sensibile è il calore che quando viene ceduto (assorbito) comporta
una diminuzione (aumento) della temperatura. – Il calore assorbito (ceduto) ha come conseguenza un aumento (riduzione) dello stato di agitazione delle molecole, che ha come effetto tangibile l’innalzamento (diminuzione) della temperatura del sistema.
– Tale aumento o riduzione di moto molecolare non ha mai come effetto una transizione di fase.
– Ad esempio se forniamo una kcal ad un kg d’acqua a 14,5°C a pressione ambiente innalziamo la sua temperatura di 1°C
– Calore trasferito e variazione di temperatura sono legati da una costante di proporzionalità detta calore specifico (illustrato successivamente).
Calore/4
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Calore sensibile e calore latente• Il calore latente è il calore che viene ceduto o assorbito durante una
transizione di fase. – Al trasferimento di calore non è associata una variazione di temperatura.
– Il calore assorbito (ceduto) ha come effetto quello di rompere (ricostituire) i legami tra le molecole, e conseguentemente modificare la fase della materia
• Vengono definite le quantità di calore necessarie per realizzare la transizione di fase dell’unità di massa:– calore latente di fusione/solidificazione
– calore latente di vaporizzazione/condensazione(o liquefazione)
– calore latente di sublimazione/brinamento
• Il calore latente è spesso più rilevante del calore sensibile. – Ad esempio sono necessarie 100 kcal per portare un chilo di acqua da 0 a 100 C.
– Per la successiva vaporizzazione sono invece necessaria 539 kcal.
– Se invece vogliamo congelare l’acqua a 0°C abbiamo bisogno di sottrarre 80 kcal.
Calore/5
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Calore specifico• Il calore specifico è il calore che è necessario fornire per innalzare di 1 K la
temperatura di 1 kg della stessa sostanza (o, in forma reciproca, che è necessario sottrarle per abbassare 1 K la sua temperatura)
• il calore specifico di una sostanza non è una grandezza fissa, ma varia con il variare delle condizioni di temperatura e pressione alle quali la sostanza stessa è soggetta.
• In generale, il calore specifico si riduce notevolmente una volta superato il punto di congelamento della sostanza in esame.
• Nella pratica della refrigerazione, la nozione di calore specifico è importante perchéfornisce un’indicazione della quantità di calore che è necessario sottrarre per refrigerare a una data temperatura una data quantità di massa di una sostanza.
Q = m∙Cs∙ΔT
• Quale è l’unità di misura del calore specifico?
Calore/6
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Unità di misura• L’unità di misura nel SI è il J/kgK, si utilizzano anche kJ/kgK, kcal/kgK,
kWh/kgK
Esempi di calore specifico
Calore/7
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Dimensionamento di impianti frigoriferi• Ogni sostanza, e in particolare ogni sostanza alimentare, ha un proprio
calore specifico e un proprio calore latente i quali – insieme o separati –sono elementi di calcolo per il dimensionamento dell’impianto frigorifero
• Nel caso della conservazione a temperature superiori a quella dicongelamento, è sufficiente tener conto della quantità di calore sensibile che occorre asportare per raffreddare la sostanza dalla temperatura ambiente a quella di conservazione.
• Nel caso della surgelazione, si dovrà invece tenere conto di tre grandezze:‐ quantità di calore sensibile di raffreddamento fino al punto di congelamento
‐ quantità di calore latente di congelamento
‐ quantità di calore sensibile di surgelazione necessaria per raggiungere la temperatura di conservazione desiderata
Calore/8
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Esempio acqua (a pressione atmosferica):
Temperatura °C
Calore latente di fusione
Calore latente di vaporizzazione
0
solida S+l liquida L+v vapore
100
Fase ‐>
0,5 kcal/kg K 80 kcal/kg 1 kcal/kg K 539 kcal/kg 0,45 kcal/kg K
Calore/8
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Esercizi• Quanto calore dobbiamo fornire per evaporare completamente 50 litri
d’acqua alla temperatura iniziale di 10°C• Quanto calore dobbiamo asportare per surgelare a ‐20°C 50 litri d’acqua
alla temperatura iniziale di 10°C?• E di quanta energia elettrica ho bisogno se il mio frigorifero ha un EER di
2,5?
Domande• Che calore entra in gioco negli impianti di condizionamento?
• Con che modalità si può trasferire (fornire o sottrarre) calore?
Calore/9
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Modalità di trasmissione del calore• Il calore può essere trasmesso con 3 modalità: conduzione, convezione,
irraggiamento
• ConduzioneIl trasferimento di calore avviene tra due corpi che vengono messi a contatto diretto. E’ causato dalla differenza di temperatura tra i due corpi che fa si che il corpo a temperatura più alta ceda calore al corpo a temperatura più bassa.
Calore/10
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• ConvezioneSi ha quando almeno uno dei corpi interessati allo scambio termico è un fluido (liquido o gas). In questo caso il trasferimento di calore è associato ad un movimento del fluido.
Il movimento può essere naturale ovvero causato dalle differenti densità delle molecole del fluido. Le molecole più calde saranno meno dense, e tenderanno pertanto a fluire verso l’alto. Si parla allora di convezione naturale.
Il movimento può essere anche favorito da apparati meccanici (ad esempio una ventola nel caso di gas), si parla allora di convezione forzata.
I sistemi idronici utilizzano la convezione per trasferire calore.
Calore/11
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• IrraggiamentoIl trasferimento di calore si ha attraverso l’emissione e l’assorbimento di onde elettromagnetiche. Al contrario delle altre modalità di trasmissione del calore, l’irraggiamento non richiede la presenza di un mezzo fisico, e può avvenire anche nel vuoto.
I pannelli radianti utilizzano come principio l’irraggiamento.
Calore/12Moti convettivi• Se cedo del calore ad una sostanza questa tenderà in
generale a dilatarsi, per la maggiore agitazione termica delle molecole in essa contenute.
• Il volume pertanto aumenterà mentre la massa (e quindi il peso) rimarrà invariata. Di conseguenza la densità ed il peso specifico si ridurranno.
• Se in una sostanza vi è la compresenza di molecole più calde e più fredde, l’unità di massa delle molecole più fredde saràsottoposta ad una forza peso maggiore (maggiore peso specifico)
• Se le molecole della sostanza sono libere di muoversi, come nel caso di un fluido (liquido o gas) le molecole più fredde tenderanno a spostarsi verso il basso, e le molecole piùcalde verso l’alto
• Se in basso è collocata la sorgente di calore questa scalderàle molecole discese, causando la loro successiva risalita per ilprincipio appena esposto. Le molecole distanti dalla sorgente di calore potranno invece cedere calore ad un corpo più freddo, raffreddandosi loro stesse e di conseguenza discendendo
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CaloreCaloreIl calore è energia termica che possiedono le molecole e in forza della quale
“vibrano” velocemente attorno alla loro posizione.
EFFETTO DEL CALORE SULLA MATERIA
1. il calore provoca la dilatazione della materia, cioè un aumento di volume.
2. l’aumento di volume varia a seconda della materia.
3. esistono tabelle di dilatazione lineare e di dilatazione cubica
Lavoro
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Lavoro• Il lavoro è l’energia trasferita
dall’ambiente al sistema (o viceversa) a seguito di uno spostamento o una modifica della forma del sistema, causata da forze agenti sul sistema.
• Il lavoro è il prodotto della forza per lo spostamento
• Per convenzione il lavoro si prende con segno positivo quando è uscente dal sistema
• L’unità di misura nel sistema internazionale è il Joule J (kJ), si usa anche il wattoraWh (kWh)
F
Δx
L = ‐ F ∙ Δx
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Entalpia/1
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Entalpia• L’entalpia è una funzione di stato. Per le trasformazioni che avvengono a pressione
costante (la maggioranza delle trasformazioni di nostro interesse) la variazione di entalpia corrisponde al calore assorbito o ceduto.
ΔH = Q(P COST)
• L’entalpia è anche chiamata “calore totale” o “contenuto di calore” o “energia totale” di una sostanza. E’ a tutti gli effetti un’energia.
• Quello che è importante è la variazione di entalpia ΔH che si ha nel sistema a seguito di una trasformazione. Il valore assoluto dell’entalpia può essere definito in maniera arbitraria, lo si pone spesso pari a zero alla temperatura di 0°C nella fase liquida.
• Le unità di misura utilizzate quelle proprie dell’energia, ovvero le medesime del calore: cal (kcal), J (kJ), Wh (kWh)
• Nei diagrammi è spesso indicata l’entalpia specifica, ovvero l’entalpia dell’unità di massa. Essa si misura in J/kg, kJ/kg, kcal/kg, kWh/kg…
Entalpia/2
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• Di seguito è riportato il diagramma di transizione di fase dell’acqua a pressione atmosferica su cui abbiamo riportato i valori di entalpia specifica
Temperatura °C
Calore latente di fusione
Calore latente di vaporizzazione
0
solida S+l liquida L+v vapore
100
H kcal/kg‐80 6391000
0,5 kcal/kg K 80 kcal/kg 1 kcal/kg K 539 kcal/kg 0,45 kcal/kg K
Energia Interna
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Energia Interna• L’energia interna è una funzione di stato. Essa rappresenta la somma dell’energia
cinetica di tutte le particelle che compongono il sistema.
• Per le trasformazioni che avvengono a volume costante (quindi in assenza di lavoro) la variazione di energia interna corrisponde al calore assorbito o ceduto.
ΔU = Q(V COST)
• Per le trasformazioni che avvengono a volume e pressione costante la variazione di energia interna coincide con la variazione di entalpia
ΔU = ΔH = Q(V COST, P COST)
• Le unità di misura utilizzate quelle proprie dell’energia, ovvero le medesime del calore: cal (kcal), J (kJ), Wh (kWh)
Entropia
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Definizione• L’entropia (indicata con la lettera S) è una funzione di stato che da una
misura dello stato di disordine di un sistema. L’entropia complessiva del sistema e l’ambiente aumenta in qualunque trasformazione reale, portando con se una degradazione dell’energia
Unità di misura• Dal punto di vista dimensionale l’entropia è un’energia diviso una
temperatura, la sua unità di misura nel SI è pertanto J/K. Si utilizza anche kJ/K, kcal/K.
Entropia specifica• Di frequente utilizzo è anche l’entropia specifica, ovvero l’entropia
dell’unità di massa. Essa si misura in J/(kg K). Si utilizza anche kJ/(kg K), kcal/(kg K).
Exergia
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Exergia• L’exergia (E, o Ex), è una funzione di stato che rappresenta il massimo lavoro che
può essere estratto da un dato sistema quando lo si porta in equilibrio con l’ambiente circostante
• Per definizione quindi un sistema in equilibrio con l’ambiente circostante ha exergia pari a zero
• L’exergia ci da una misura qualitativa dell’energia di un sistema. Tanto maggiore èl’exergia di un sistema, tanto maggiore sarà la sua capacità di compiere lavoro.
• Si può parlare anche di exergia di una quantità di calore. In questo caso l’exergia cresce con la temperatura a cui il calore viene fornito. Maggiore la temperatura, maggiore la possibilità di convertire il calore in lavoro.
• Le unità di misura utilizzate quelle proprie dell’energia: cal (kcal), J (kJ), Wh (kWh)
• Anche in questo caso si può parlare di exergia specifica (e, o ex), ovvero l’exergia dell’unità di massa. Essa si misura in J/(kg K), kJ/(kg K), kcal/(kg K).
Potenza
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Potenza/1
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Definizione• La potenza è data dall’energia divisa per il tempo, ovvero la quantità di
energia trasferita nell’unità di tempo. Ci da quindi una misura della velocitàcon cui il sistema trasferisce calore o compie lavoro
P = Q /ΔtP = L/Δt
Unità di misura• Nel sistema internazionale si usa il Watt (W), ed il suo multiplo kW
• Per alcune applicazione si usa la kcal/ora, la BTU/h o il CV ‐ Cavallo Vapore
1kcal/ora = 1,163 W
1 BTU/ora = 0,293 W
1 CV = 745,7 W
Potenza/2
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Confronto tra le unità di misuraW CV BTU/ora kcal/ora
W 1 0,00134 3,41 0,86CV 745,7 1 2545 641,3
BTU/ora 0,293 0,000393 1 0,252kcal/ora 1,163 0,00156 3,97 1
Potenza/3
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Esercizi• Abbiamo calcolato che abbiamo bisogno di fornire 31.450 kcal di calore per
evaporare completamente 50 litri d’acqua alla temperatura iniziale di 10°C. Di che potenza termica (in kW) abbiamo bisogno per completare questa operazione in 10 ore?
• Abbiamo calcolato che dobbiamo asportare 5.000 kcal di calore per surgelare a ‐20°C 50 litri d’acqua alla temperatura iniziale di 10°C. Di che potenza frigorifera abbiamo bisogno per completare questa operazione in 2 ore? E di che potenza elettrica ho bisogno se il mio congelatore ha un EER di 2,5?
