TERMODINAMICA E TERMOFLUIDODINAMICA. Cap. 3 TERMODINAMICA E LAVORO MECCANICO

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1 TERMODINMIC E TERMOFLUIDODINMIC Ca. 3 TERMODINMIC E LVORO MECCNICO d 0 stato finae 0 stato iniziae F V m 0 / 0 G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico

2 Ca. 3 TERMODINMIC E LVORO MECCNICO Indice. Termodinamica, caore e aoro meccanico. Energia e aoro meccanico 3. L energia interna 4. Trasformazioni reersibii ed irreersibii 5. Scambio di aoro in sistemi senza defusso 6. Scambio di aoro in sistemi con defusso G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico

3 TERMODINMIC, CLORE E LVORO Termodinamica Scienza che studia e modificazioni subite da un sistema in conseguenza de trasferimento di energia rinciamente sottoforma di LVORO e CLORE. LVORO Quache cosa che aare aa frontiera de sistema quando cambia o stato de sistema a causa de moimento di una arte dea frontiera sotto azione di una forza. CLORE Quache cosa che aare aa frontiera di un sistema quando cambia o stato de sistema a causa di una differenza di temeratura tra sistema ed ambiente. Quache cosa è una forma di energia che fuisce (iene scambiata) tra sistema ed ambiente, attraerso a frontiera de sistema. energia meccanica energia termica aoro caore G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 3

4 CLORE I CLORE è una forma di energia trasferita da sistema a ambiente (o iceersa) er effetto di una DIFFERENZ DI TEMPERTUR. I caore è una forma di energia in transito attraerso a frontiera de sistema. L energia termica iene chiamata CLORE soo quando atttraersa a frontiera de sistema. Q caore q Q/m caore er unità di massa Q dq dt otenza termica J Q s [Q] [Joue] [J] [q] [J/kg] Watt W SISTEM MIENTE ENERGI INTERN SISTEM ENERGI INTERN MIENTE 0 C 5 C -kj + kj CLORE kj CLORE G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 4

5 LVORO Energia scambiata attraerso a frontiera de sistema che NON è caore, è LVORO L aoro [L] [Joue] [J] L/m aoro er unità di massa [] [J/kg] MIENTE 0 C LVORO L dl dt otenza meccanica J L Watt W s 0 C SISTEM G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 5

6 Laoro LVORO L L LVORO DI ESPNSIONE O COMPRESSIONE r r F dr SISTEM LVORO D ELIC w Sezione fuido di uscita Sezione di ingresso w g F g G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 6 g

7 Caore e aoro Conenzione su segno di Caore e Laoro I caore ENTRNTE ne sistema è assunto POSITIVO I caore USCENTE da sistema è assunto NEGTIVO I aoro USCENTE da sistema è assunto POSITIVO I aoro ENTRNTE ne sistema è assunto NEGTIVO (+) (-) Q SISTEM L (+) (-) G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 7

8 ENERGI e LVORO ENERGI caacità di comiere aoro Forme di energia microscoiche macroscoiche Forme di energia macroscoiche Possedute da sistema ne suo comesso, connesse con i moto de sistema o con a interazione con cami esterni (graitazionae, eettrico, magnetico) Considerando soo gi effetti meccanici mw Energia cinetica Energia otenziae Ec E g mgz e c e g w gz G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 8

9 Energia e aoro Forme di energia microscoiche Connesse con a struttura moecoare de sistema e con i grado di attiità moecoare. Energia interna U u ENERGI TOTLE DEL SISTEM U m Etot Ec + Eg + U mw + mgz + U [ J ] w etot ec + eg + u + gz + u [ J / kg] G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 9

10 ENERGI INTERN Energia interna Energia interna SENSIILE Energia interna LTENTE Energia interna CHIMIC (o di LEGME) Energia interna NUCLERE Somma di tutte e forme microscoiche di energia di un sistema connessa con energia cinetica dee moecoe energia cinetica trasazionae rotazionae ibrazionae associata aa fase di un sistema e quindi ae forze intermoecoari tra e moecoe de sistema associata con e forze di egame tra gi atomi che formano a moecoa associata con i egami a interno de nuceo atomico G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 0

11 TRSFORMZIONI REVERSIILI ed IRREVERSIILI Trasformazione reersibie Trasformazione che, artendo da uno stato di equiibrio termodinamico, si soga er successii stati di equiibrio termodinamico in modo tae che i sistema e ambiente ossano semre essere riortati nei risettii stati iniziai riercorrendo a stessa trasformazione, SENZ CHE DI CIO RESTI TRCCI NEL SISTEM NE NELL MIENTE Le trasformazioni REVERSIILI sono una ideaizzazione Le trasformazioni RELI resentano SEMPRE dee irreersibiità e quindi sono semre IRREVERSIILI G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico

12 Trasformazioni reersibii ed irreersibii CUSE DI IRREVERSIILIT Cause di disequiibrio termodinamico (di non-staticità) Differenze di temeratura Differenze di ressione Esansione ibera di un fuido Misceamento sontaneo di sostanze con differenti comosizioni Reazioni chimiche sontanee Effetti dissiatii ttrito meccanico tra suerfici Passaggio di corrente eettrica in una resistenza eettrica Isteresi magnetica Deformazione non eastica Gi effetti dissiatii comortano semre conersione di atre forme di energia in energia interna. G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico

13 SCMIO DI LVORO IN SISTEMI SENZ DEFLUSSO M Esemio: Comressione isoterma M M m 0 0 T 0 m 0 0 / T 0 T 0 Stato iniziae 0 stato finae T 0 Stato iniziae 0 stato iniziae 0 / 0 G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 3

14 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Esemio: Comressione isoterma 0 stato finae 0 stato finae 0 stato iniziae 0 stato iniziae 0 / 0 0 / 0 Processo REVERSIILE (quasi - statico) Processo IRREVERSIILE G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 4

15 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Δx M M Se i rocesso è REVERSIILE L Fdx dx dv T 0 Riferendo tutto a unità di massa d [ J / kg] d dv m / stato finae stato iniziae G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 5 0 d d area sottesa daa cura che raresenta a trasformazione risetto a asse dei oumi

16 Scambio di aoro in sistemi senza defusso d d Se aumenta Se diminuisce ESPNSIONE COMPRESSIONE > 0 < 0 G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 6

17 Scambio di aoro in sistemi senza defusso ESPNSIONE Se i rocesso NON è REVERSIILE < causa dee irreersibiità i aoro OTTENUTO (COMPIUTO DL SISTEM) è minore di queo che si ha ne caso ideae COMPRESSIONE irr irr > re d causa dee irreersibiità i aoro SPESO (COMPIUTO SUL SISTEM) è maggiore di queo necessario ne caso ideae re d In ambedue i casi, se i rocesso non è reersibie, i aoro scambiato NON uò essere cacoato come d G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 7

18 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Trasformazione ISOCOR costante d d 0 d 0 Perché un sistema chiuso ossa scambiare aoro con ambiente è NECESSRIO che enga modificato i oume de sistema G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 8

19 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Trasformazione ISOR costante d d d ( ) ( ) G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 9

20 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Trasformazione ISOTERM T costante Ne caso di un GS PERFETTO RT cost RT costante RT d d RT d RT [ ] n RT n G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 0

21 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Trasformazione isoterma di un gas erfetto oero RT n RT n RT n n n n n Legge cost Cura ramo di ierboe equiatera G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico

22 Scambio di aoro in sistemi senza defusso Trasformazione POLITROPIC Ne caso di un GS PERFETTO k cost con k > Se k c /c Trasformazione DITIC Q - 0 k ( ) k ( ) d k k doe raorto di comressione G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico

23 G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 3 Scambio di aoro in sistemi senza defusso ( ) ( ) k k k k d Trasformazione oitroica di un gas ideae Legge k cost (con k>) Legge cost

24 SCMIO DI LVORO IN SISTEMI CON DEFLUSSO Numerosi aarati, moto imortanti nee aicazioni ingegneristiche, comortano scambio di massa tra sistema ed ambiente. Ciò aiene mediante un fusso di massa tra una o iù sezioni di ingresso e una o iù sezioni di uscita. L anaisi termodinamica aiene utiizzando i metodo de oume di controo. Fuido in ingresso Voume di controo Fuido in uscita G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 4

25 Scambio di aoro in sistemi con defusso Fuido in ingresso E necessario che e forze esterne ( ambiente) comiano aoro er immettere i fuido Fuido che si esande o che iene comresso Laoro d eica o Laoro utie E necessario che e forze interne (i sistema) comiano aoro er eseere i fuido Fuido in uscita Condizione necessaria erché enga scambiato aoro utie tra sistema ed ambiente è che sia resente un organo in grado di reaizzare tae scambio. G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 5

26 im im Scambio di aoro in sistemi con defusso Sezione Laoro (secifico) di usione er immettere i fuido (di immissione) ± ' Laoro utie (secifico) Sezione em + im Laoro (secifico) di usione er eseere i fuido (di emissione) tot ' d im + em G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 6

27 Scambio di aoro in sistemi con defusso Laoro di usione F d V m L m L Fd d V diidendo ambedue i membri er a massa m V m Sezione di ingresso Sezione di uscita F F im em + G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 7

28 im im Scambio di aoro in sistemi con defusso Sezione Laoro (secifico) di usione er immettere i fuido (di immissione) ± ' Laoro utie (secifico) Sezione em + em Laoro (secifico) di usione er eseere i fuido (di emissione) ' d tot + G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 8

29 Scambio di aoro in sistemi con defusso Laoro utie Integrando er arti ' d tot + ' + + tot d d d Fattore finito Fattore differenziae ' + d + d G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 9

30 Scambio di aoro in sistemi con defusso Laoro utie ' d in termini infinitesimi ' d / stato finae 0 stato iniziae ' d area sottesa daa cura che raresenta a trasformazione risetto a asse dea ressione G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 30

31 Scambio di aoro in sistemi con defusso Trasformazione ISOR di un sistema con defusso cost ' d 0 In un rocesso con con defusso NON è ossibie scambiare aoro utie se non esiste una DIFFERENZ DI PRESSIONE tra fuido in ingresso ed in uscita. G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 3

32 Scambio di aoro in sistemi con defusso Trasformazione ISOCOR di un sistema con defusso cost ' ' d d ( ) ( ) ' ' aoro di immissione < ' > 0 Es. Turbina idrauica aoro di emissione > ' < 0 Es. Poma G. Cesini Termodinamica e termofuidodinamica - Ca. 3_TD e aoro meccanico 3