Motori e cicli termodinamici

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Martina Marrone
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1 Motori e cicli termodinamici 1. Motore a scoppio 2. Motore diesel 3. Frigoriferi 4. Centrali elettriche XXII - 0

2 Trasformazioni Trasformazioni reversibili (quasistatiche: Ciascun passo della trasformazione è eseguito in modo tale che il sistema sia in equilibrio: la legge di stato vale in ciascuno degli stati intermedi e si può ripercorrere lo stesso percorso in senso inverso attraverso gli stessi stati intermedi. Trasformazioni irreversibili: Nel corso della trasformazione il sistema non è in condizioni di equilibrio e quindi non è possibile ripercorrere lo stesso percorso in senso inverso. XXII - 1

percorso in senso inverso attraverso gli stessi stati intermedi.

3 Motore a scoppio La miscela ariabenzina viene introdotta nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione. Il pistone si muove verso l alto comprimendo la miscela mentre le valvole sono chiuse. Una scintilla prodotta dalla candela incendia la miscela : questa, bruciando, genera gas e aumenta di volume spingendo il pistone verso il basso. Il pistone si muove verso l alto ed espelle i gas combusti attraverso la valvola di scarico. XXII - 2

Una scintilla prodotta dalla candela incendia la miscela : questa, bruciando, genera gas e aumenta di volume

4 Ciclo termodinamico OA AB BC/CD DA/AO OA: AB: BC: CD: Aspirazione a pressione costante W OA =P A (V A -V O Compressione adiabatica (perchè rapida W AB =nc V (T A -T B Q AB =0 Accensione miscela e combustione W BC =0 Q BC = nc V (T C -T B Espansione adiabatica (perchè rapida W CD =nc V (T C -T D Q CD =0 DA: AO: Decompressione (apertura valvola W DA =0 Q DA = nc V (T A -T D Scarico W AO =P A (V O -V A XXII - 3

combustione W BC =0 Q BC = nc V (T C -T B Espansione adiabatica (perchè rapida W CD =nc V (T C -T D Q

5 ! =1+ Q c =1+ nc V Q A nc V ( T A " T D T C "T B Rendimento ( =1" T D " T A T C "T B! T D V "1! "1 D = T C V C! T A V "1! "1 A = T B V B V A =V D V B =V C! T D V "1! "1 D = T C V C T A V D! "1 = T B V C! "1 " ( T D! T A V!1 "!1 D = ( T C! T B V C! =1" 1 r # "1 η massimo per gas a molecola semplice (γ=2/f+1, con f=gradi di libertà con r = V D V C T D!T " A = V % C $ ' T C! T B # & V D (!1 = 1 r (!1 = rapporto di compressione Il rapporto di compressione è limitato dall autocombustione della miscela benzina-aria: r max ~ 10 -> η max ~ 0.4 (TEORICO In realtà: η max ~ 0.2 a causa degli attriti e di una non completa divisione delle fasi XXII - 4

T " A = V % C $ ' T C! T B # & V D (!1 = 1 r (!

6 Motore Diesel (4 tempi ad autocombustione OA AB BC/CD DA/AO non viene aspirato combustibile, solo aria iniezione del combustibile non c è la candela OA: Aspirazione a pressione costante W OA =P A (V A -V O AB: Compressione adiabatica (perchè rapida W AB =nc V (T A -T B Q AB =0 BC: Autocombustione graduale della miscela W BC =P B (V C -V B Q BC = nc P (T C -T B CD: DA: AO: Espansione adiabatica (perchè rapida W CD =nc V (T C -T D Q CD =0 Decompressione (apertura valvola W DA =0 Q DA = nc V (T A -T D Scarico W AO =P A (V O -V A XXII - 5

B Q AB =0 BC: Autocombustione graduale della miscela W BC =P B (V C -V B Q BC = nc P (T C -T B CD: DA: AO: Espansione adiabatica

7 ( ( =1"! =1+ Q c =1+ nc T "T V A D Q A nc P T C "T B con r E = V D V C e r C = V D V B Rendimento 1 r " 1 # # E r C $ # 1 " 1 ' & % r E r C ( Problema: uniformità nell iniezione Soluzione: creazione di turbolenza (motori AUDI Il rendimento è maggiore del motore a scoppio in quanto i rapporti di compressione sono molto più alti: r max ~ con rendimenti reali del 30%. Vantaggi del motore Diesel: - la miscela aria - carburante è migliore perchè si forma all'interno della camera di combustione e non nel collettore di aspirazione (Nei motori a benzina la combustione è poco redditizia ai bassi regimi, perché l'aria aspirata non si distribuisce nel modo migliore all'interno della camera, come avviene ai regimi più elevati - minore inquinamento (dovuto ad una migliore combustione. Svantaggi del motore diesel: - limitazione nel numero di giri (ad alto numero di giri la miscela non è uniforme - massa elevata e rumorosità XXII - 6

turbolenza (motori AUDI Il rendimento è maggiore del motore a scoppio in quanto i rapporti di compressione sono molto più alti: r max ~ 60 80 con rendimenti reali del 30%.

8 Effetto di Joule-Thomson Un frigorifero sfrutta il principio fisico denominato effetto di Joule-Thomson. L effetto può essere misurato con l apparato seguente: W = lavoro sul gas = - Δ U (processo adiabatico = -(Δ k + Δ u pot = Δ(PV = Δ(P 2 V 2 - Δ(P 1 V 1 mantenendo costante il prodotto PV: Δ(P 2 V 2 = Δ(P 1 V 1 -> Δ U = Δ k + Δ u pot = 0 se P1>P2, le distanze molecolari sono più grandi nel contenitore 2 -> Δ u pot > 0 -> Δ k <0 e la temperatura diminuisce. XXII - 7

pot = Δ(PV = Δ(P 2 V 2 - Δ(P 1 V 1 mantenendo costante il prodotto PV: Δ(P 2 V 2 = Δ(P 1 V 1 -> Δ U = Δ k + Δ u pot =

9 Frigoriferi Se la trasformazione coinvolge un passaggio di fase, da liquido a vapore, ed è rapida (attraverso l apertura veloce di una valvola, l effetto di Joule-Thomson è analogo all acquisto di calore latente di vaporizzazione a spese dell energia cinetica dei costituenti (cioè della loro temperatura. A: Fluido liquido a temperatura T 2 =20 C AB: BC: CD: DA: Espansione di Joule-Thomson Isoterma a T=T 1 fluido a contatto con il corpo da raffreddare Compressione adiabatica Isobara e poi isoterma a T=T 2, fluido a contatto con il radiatore esterno I gas usati (Freon - CF 3 Br o simili passano facilmente dalla fase di vapore alla fase liquida attorno ai 0 C e non sono corrosivi. efficienza frigorifera = Q A W = 1! XXII - 8

A: Fluido liquido a temperatura T 2 =20 C AB: BC: CD: DA: Espansione di Joule-Thomson Isoterma a T=T 1 fluido a contatto con il corpo da raffreddare Compressione adiabatica Isobara e

10 Centrale elettrica ε totale ~ 37% XXII - 9

11 Principio: la spira ruota all interno del campo magnetico (costante; il flusso di campo magnetico attraverso la spira varia in modo sinusoidale nel tempo; viene generata una forza elettromotrice nel circuito secondo la legge di Faraday. Alternatore 50 Hz Flusso di campo di induzione magnetica attraverso la superficie A Campo di induzione magnetica Area della spira Frequenza di rotazione della spira Forza elettromotrice indotta In un sistema reale sono le bobine che ruotano e le spire stanno ferme (v. Energia. XXII - 10

Alternatore 50 Hz Flusso di campo di induzione magnetica attraverso la superficie A Campo di induzione magnetica Area della spira

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