Gli impianti a fluido

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1 Gli impianti a fluido

2 Cosa è un impianto a fluido? Un impianto a fluido è un impianto in grado di trasformare l energia posseduta da un fluido (aria, olio, ecc.) compresso in una azione meccanica (forza).

3 Fasi di un impianto a fluido In un impianto a fluido possono essere distinte tre fasi: prima fase: trasformazione di una certa forma di energia in un altra di tipo differente che chiameremo energia fluida; seconda fase: controllo dell energia; terza fase: trasformazione dell energia fluida in lavoro meccanico.

4 GRUPPO GENERATORE GRUPPO DI CONTROLLO GRUPPO DI UTILIZZO

5 Classificazione degli impianti a fluido A seconda del fluido utilizzato gli impianti si dividono in: IMPIANTI PNEUMATICI: utilizzano l aria come fluido; IMPIANTI OLEODINAMICI: utilizzano l olio come fluido.

6 Impianti pneumatici

7 Caratteristiche degli impianti pneumatici Negli impianti pneumatici il fluido utilizzato è l aria. In tali impianti: il gruppo generatore è costituito da un compressore che avrà il compito di aumentare la pressione dell aria; il gruppo di controllo farà assumere al fluido determinati valori di pressione e di portata e avrà il compito di distribuirlo ove necessario; il gruppo di utilizzo sarà costituito da attuatori di tipo diverso a seconda degli impieghi dell impianto.

8 Elementi di pneumatica

9 L aria L aria è composta da una miscela di gas (Azoto Ossigeno Argon Anidride carbonica), vapore d acqua e particelle solide in sospensione. E trasparente, incolore, inodore, cattiva conduttrice di calore e di elettricità.

10 Il Calore Il calore è una forma di energia, che può essere trasformata in lavoro, tanto più completamente quanto maggiore è la sua temperatura.

11 La Temperatura La temperatura è una grandezza che condiziona l utilizzazione del calore ossia la sua trasformazione in lavoro. Può essere quindi considerata una grandezza che ne condiziona l utilizzazione o anche un indice della qualità dell energia disponibile.

12 Unità di misura del calore L unità di misura del calore nel sistema tecnico è la Kilocaloria (kcal) definita come la quantità di calore che si deve somministrare ad un kilogrammo di acqua distillata per elevare la sua temperatura da 14.5 a 15.5 C. Nel sistema internazionale l unità di musira del calore è il Joule 1 kcal = 4186 J = 4,186 kj 1 kcal = 427 kgf m

13 Le scale termometriche La misurazione della temperatura richiede la definizione di una unità di misura. Varie sono le unità di misura proposte e di conseguenza sono molte le scale termometriche adottate. Tutte le scale termometriche si fondano su due temperature invariabili e perfettamente determinate, cui vengono assegnati valori diversi da scala a scala. Le due temperature fisse sono: Temperatura dell acqua distillata in fase di solidificazione (Temperatura del ghiaccio fondente); Temperatura dell acqua distillata in fase di ebollizione.

14 Le scale termometriche Le scale termometriche più utilizzate sono: Scala Celsius o centigrada; Scala Kelvin o assoluta; Scala Fahrenheit.

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16 Il passaggio da una scala all altra K = C C = K Dalla proporzione esistente tra la scala centigrada e la Fahrenheit C : 100 = ( F 32) : 180 si ricava: C= ( F 32) x 100 / 180 F= ( C x 180/100) + 32

17 Calore specifico Il calore specifico ( C) fi un corpo (solido o liquido) viene definito come la quantità di calore che occorre somministrare all unità di massa di esso per elevarne la temperatura di 1 C. Si misura in Kcal/kg C ( 4,186 kj/kg C)

18 Calore specifico medio Il calore specifico di una sostanza non ha un valore costante, ma cresce lentamente all aumentare della temperatura. Nei calcoli occorre quindi considerare un calore specifico medio Cm.

19 Detta m la massa del corpo, se vogliamo aumentare la sua temperatura da t1 a t2 dovremo somministrare una quantità di calore Q = m Cm (t2 - t1) Da cui: Cm = Q / [m (t2 - t1)] e per l unità di massa del corpo: Cm = Q / (t2 - t1) Il calore specifico medio di un corpo nell intervallo di temperatura compreso fra t1 e t 2 si può quindi definire come il rapporto tra la quantità di calore Q da somministrare all unità di massa per ottenere l aumento di temperatura da t1 a t2, e l intervallo stesso di temperatura.

20 La pressione I gas sono costituiti da molecole che si muovono in continuazione. Se il gas è contenuto in un recipiente le molecole, nel loro cammino, vanno ad urtarne le pareti. Ogni urto rappresenta una forza esercitata sulla parete. La somma di tutte queste forze elementari esercitate su una superficie rappresenta la pressione. Unità di misura: Pascal: 1 Pa = 1 N/ 1 m2 = 1.02 * 10-5 kg/ cm2 bar: 1 bar = 105 Pa = 1.02 kg/ cm2 Kg/cm2: 1Kg/cm2 = 9.8 * 10-4 Pa = 9.8 * 10-1 bar

21 Stati fisici della materia Con stato della materia (o stato di aggregazione) si intende una classificazione convenzionale degli stati che può assumere la materia a seconda delle proprietà meccaniche che manifesta.

22 La distinzione tra gli stati della materia viene storicamente fatta basandosi sulle seguenti differenze qualitative: 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 aeriforme (o gassoso) non ha né volume né forma propria, ma si espande fino a occupare tutto lo spazio disponibile.

23 Nella scienza moderna in realtà questa semplice classificazione risulta inadeguata a descrivere esaustivamente le numerose possibilità che ha la materia di organizzarsi. Il plasma è stato probabilmente il primo nuovo stato della materia ad essere aggiunto a questa catalogazione, ma ce ne sono molti altri, i quali compaiono in condizioni particolari di temperatura e pressione.

24 I cambiamenti di stato fisico

25 Leggi dei gas perfetti

26 Le grandezze fondamentali Lo stato fisico di un aeriforme è completamente definito quando siano noti i valori delle tre grandezze fondamentali che lo caratterizzano: Pressione, volume e Temperatura

27 Volume specifico e Densità Si definisce volume specifico (v) il volume dell unità di massa della sostanza: v = V / m dove V è il volume della sostanza ed m la sua massa Si definisce densità (ρ) il rapporto fra la massa e il volume della stessa sostanza: ρ = m / V Avremo: ρ = 1/ v e v = 1/ ρ

28 Le leggi di Gay Lussac Prima legge: Regola la variazione di volume di un gas perfetto, quando venga ad esso somministrato calore con conseguente aumento della temperatura, mantenendo la pressione costante vt = v0 (1 + t) con p = costante dove: = coefficiente di dilatazione = = 1/ vt = volume alla temperatura di t C v0 = volume alla temperatura di 0 C

29 Seconda legge: Regola la variazione di pressione di un gas perfetto, quando venga ad esso somministrato calore con conseguente aumento della temperatura, mantenendo il volume costante pt = p0 (1 + t) con v = costante dove = coefficiente di tensione 1 / pt = pressione alla temperatura di t C p0 = pressione alla temperatura di 0 C

30 La legge di BOYLE MARIOTTE Il prodotto tra il volume di una massa di gas e la pressione cui il gas è sottoposto è costante nel caso in cui si mantenga costante la temperatura: p v = costante con T = costante

31 L equazione caratteristica dei gas p v = R T dove R è una costante dipendente esclusivamente dalla natura dei gas. p dovrà essere espresso in Pascal, T in gradi Kelvin Es: determinare il volume specifico dell aria alla pressione atmosferica e alla temperatura di 15 P = Pa; T = = 288 K; R = 287 v = R T / p = 287 * 288 / = m3 / kg

32 I principi della termodinamica

33 Principio dell equivalenza Se il calore è una forma di energia, esso potrà essere trasformato in energia di tipo diverso o in lavoro meccanico. Il principio della conservazione dell energia ci conferma che in questa trasformazione rimane costante il rapporto tra la quantità di energia che scompare sotto forma di calore e quella che compare sotto forma di lavoro.

34 dove: Q / L = A Q = A L Q: quantità di calore impiegato nella trasformazione L : Lavoro conseguente alla trasformazione A: costante di proporzionalità definita equivalente termico del lavoro A = 1/4186 kcal/j A = 1/427 kcal/kgf m

35 Primo principio della termodinamica Se ad una sostanza qualsiasi viene somministrata una quantità di calore Q, otterremo, in genere, un aumento di temperatura ed un incremento di volume ed un incremento della sua energia interna. Di contro ad una sottrazione di calore corrisponde una riduzione sia del volume che della temperatura e nel complesso un decremento dell energia interna della sostanza.

36 Se ad una sostanza qualsiasi viene somministrata una quantità di calore Q, parte di questo produrrà lavoro esterno di dilatazione (L) e parte servirà a compiere il lavoro necessario ad aumentare l energia interna dal valore iniziale U1 al valore finale U2. Di contro una sottrazione di calore alla sostanza in questione deriverà in parte dal lavoro () compiuto sul fluido ed in parte dalla diminuzione dell energia interna. Q = U2 U1 + AL primo principio della termodinamica

37 Le trasformazioni termodinamiche

38 Le Trasformazioni Termodinamiche Lo stato termodinamico di un gas (perfetto) è determinato dalle sue variabili di stato: Pressione, Volume, Temperatura, n moli Affinché esse siano determinate è necessario che il gas sia in equilibrio termico, non ci devono essere moti turbolenti e ogni grandezza deve essere costante almeno per un determinato intervallo di tempo. Le varabili di stato soddisfano l eq: P V = n R T

39 Pressione Quando un sistema passa da uno stato termodinamico A ad uno stato termodinamico B si ha una trasformazione termodinamica Gli stati termodinamici e le trasformazioni possono essere rappresentate in un diagramma Pressione-Volume (piano di Clapeyron) Gli stati termodinamici sono rappresentati da PUNTI le trasformazioni da LINEE. A B Volume

40 La trasformazione deve avvenire in modo estremamente lento (Trasf. Quasi statica) di modo che in ogni stadio intermedio le variabili termodinamiche siano sempre perfettamente determinate. In tal caso è possibile ripercorrere la trasformazione al contrario Trasformazione REVERSIBILE. La presenza di attriti, o le trasformazioni repentine, non permettono di conoscere gli stati intermedi: compaiono moti turbolenti e la trasformazione si dice IRREVERSIBILE. Le trasformazioni termodinamiche da A a B sono infinite perché infiniti sono i percorsi che collegano A e B nel piano P-V Tra tutte le trasformazioni reversibili ve ne sono alcune particolarmente importanti: Trasf. ISOTERMA, Trasf. ISOBARA, Trasf. ISOCORA, Trasf. ADIABATICA.

41 Pressione Osservazioni sul Diagramma P-V Nel diagramma P-V non è rappresentata la temperatura del sistema, essa si calcola facilmente conoscendo P, V, n moli dall equazione di stato dei gas perfetti PV = nrt P A A B P C C V A V C Volume

42 Pressione Tra due stati alla stessa pressione ha temperatura maggiore quello con volume maggiore P A = P B V B > V A ===> T B > T A Tra due stati allo stesso volume P A A B ha temperatura maggiore quello con pressione maggiore V B = V C P B > P C ==> P C C T B > T C Gli stati appartenenti alla stessa isoterma hanno tutti la stessa V A V C temperatura.

43 Lavoro di una trasformazione termodinamica Ob. Calcolare il lavoro fatto da un gas durante una fase di espansione (viceversa il lavoro che l ambiente compie sul gas in fase di compressione) Consideriamo un sistema termodinamico formato dal gas perfetto contenuto in un cilindro di sezione A chiuso superiormente da un pistone mobile Hp: 1) Espansione lenta, tutte le grandezze termodinamiche sono determinate. 2) Non ci sono attriti e il pistone è a tenuta perfetta 3) Piccola espansione x di modo che si possa considerare P = costante

44 F x Il gas esercita una pressione P su tutte le pareti del recipiente determinando sul pistone una forza F = P A Considerando un espansione elementare x del pistone il gas compie il lavoro elementare W = F x x = F x cos 0 = F x = P A x = P V

45 Il lavoro elementare compiuto dal gas è dunque uguale al prodotto della pressione (costante) per la variazione di volume W = P V = Pressione Volume Se il gas si espande V = V f V i > 0 ==> W= P V > 0 il gas compie lavoro sull ambiente Se il gas viene compresso V = V f V i < 0 ==> W= P V < 0 l ambiente compie lavoro sul gas.

46 Pressione Trasformazione Isobara E una trasformazione termodinamica che avviene a pressione costante P A = P B A B Il lavoro della trasformazione è: W AB = W = P V = P V = = P (V B V A ) E per l equazione di stato anche W AB = n R (T B T A ) WAB Oss Il lavoro della trasformazione Isobara è uguale all area del diagramma P V V A V B

47 Pressione Trasformazione Isobara Applicando il 1 principio della termodinamica P A = P B A WAB B Espansione Isobara U = U B U A = Q W Q > 0 W > 0 espansione, U > 0 la temperatura di B è maggiore di A Q = U + W > 0 Il sistema prende calore dall ambiente e lo trasforma in parte in energia interna (aumenta la temperatura) e in parte in lavoro fatto sull ambiente. Il sistema si espande e si riscalda. T W > 0 V A V B

48 Pressione Trasformazione Isobara W < 0 Compressione Isobara U = U B U A = Q W T Q < 0 W < 0 compressione, U < 0 la P A = P B B A temperatura di B è minore di A Q = U + W < 0 L ambiente compie lavoro sul sistema WAB ma questo lavoro non rimane accumulato bensì viene ceduto all esterno insieme ad una parte dell energia interna. Il sistema si V B V A contrae e si raffredda

49 Trasformazione Isoterma E una trasformazione termodinamica che avviene a temperatura costante A PV = nrt cost = Costante Il diagramma PV è un ramo di iperbole equilatera. Il lavoro della trasformazione è: B W AB nrt ln V V B A nrt ln P P A B volume Oss Anche in questo caso Il lavoro della trasformazione è uguale all area del diagramma P V

50 Trasformazione Isoterma Applicando il 1 principio della termodinamica A WAB B Espansione Isoterma U = U B U A = Q W U = 0 la temperatura non cambia, quindi non cambia l energia interna W > 0 espansione Q = U + W = W > 0 Q > 0 Il sistema prende calore dall ambiente e lo trasforma completamente in lavoro fatto sull ambiente. W > 0 volume

51 Trasformazione Isoterma W < 0 A WAB B volume Compressione Isoterma U = U B U A = Q W U = 0 la temperatura non cambia, quindi non cambia l energia interna W < 0 compressione Q = U + W = W < 0 Il sistema riceve energia meccanica dall ambiente e la cede completamente all ambiente sotto di forma di calore Q < 0

52 Trasformazione Isocora E una trasformazione termodinamica che avviene a Volume costante Il lavoro della trasformazione è sempre ZERO W AB = P V = 0 P A A P B B V A = V B

53 Trasformazione Isocora Applicando il 1 principio della termodinamica T Q < 0 P A P B A B Diminuzione della Pressione U = U B U A = Q W W = 0 nessuna variazione di volume, U < 0 la temperatura di B è minore di A Q = U < 0 Il sistema cede calore all ambiente e si raffredda con una conseguente diminuzione della pressione. V A = V B

54 Trasformazione Isocora Q > 0 T P B P A B A Aumento della Pressione U = U B U A = Q W W = 0 nessuna variazione di volume, U > 0 la temperatura di B èmaggiore di quella di A Q = U > 0 Il sistema riceve calore dall ambiente e si riscalda con un conseguente aumento della pressione. V A = V B

55 Trasformazione Adiabatica E una trasformazione termodinamica che avviene senza che vi sia scambio di calore con l esterno A B Ciò si ottiene isolando termicamente il gas dall esterno: termos, contenitore polistirolo vaschetta gelato. Aumentando o diminuendo bruscamente il volume di un gas si ha una trasformazione irreversibile adiabatica: a causa della rapidità della trasformazione il calore non ha il tempo di fluire all esterno. Motori diesel

56 Trasformazione Adiabatica Applicando il 1 principio della termodinamica T W > 0 A B Espansione Adiabatica U = U B U A = Q W Q = 0 non c è scambio di calore W > 0 espansione U = W < 0 Il sistema compie lavoro a spese dell energia interna, si espande e si raffredda. Prof Biasco 2006

57 Trasformazione Adiabatica W < 0 T B A Compressione Adiabatica U = U B U A = Q W Q = 0 W < 0 compressione U = W > 0 L energia meccanica che il sistema riceve dall ambiente determina un aumento della temperatura, il sistema viene compresso e si riscalda. Motore Diesel

58 Trasformazione Adiabatica A Il diagramma di un adiabatica è una curva decrescente con pendenza maggiore (in modulo) dell isoterma passante per uno stesso stato A. L equazione dell adiabatica è dovuta a Poisson PV costante Dove = cp/cv rapporto tra i calori specifici a pressione e a volume costante Gas monoatomici = 5/3 Gas biatomici = 7/5 Prof Biasco 2006

59 Il lavoro della trasformazione è dato da:. Trasformazione Adiabatica Altre espressioni dell equazione dell adiabatica: 1 ) ( A A B B B A v P V P V T T mc W cost P T P T cost V T V T cost P V P V B B A A B B A A B B a A A B

60 4. Calori specifici di un gas ideale Uno degli effetti che si ottengono quando si fornisce calore ad un corpo è un aumento della sua temperatura. L aumento di temperatura non è lo stesso per tutti i corpi ma dipende dalle caratteristiche della sostanza ed è espresso mediante un parametro detto Calore specifico caratteristico di ogni sostanza. Calore Specifico è la quantità di calore che occorre fornire ad 1 kg di una sostanza per aumentare di 1 C la sua temperatura. c m Q T

61 Calori specifici di un gas ideale Quindi fornendo la quantità di calore Q ad un corpo la sua temperatura aumenta di T secondo la relazione:. Q m c T In generale il calore specifico dipende dalle caratteristiche della sostanza ma anche dalla temperatura e dalla pressione. Nel caso dei gas il calore specifico cambia considerevolmente a seconda che il calore venga trasferito a pressione costante o a volume costante.

62 Calore specifico a VOLUME COSTANTE Volume = costante Q V ---> T E una trasformazione isocora tutto il calore fornito aumenta l energia interna Q V = U. Aumenta sia la temperatura del gas sia la sua pressione. Q V m c V T Q c v = calore specifico a volume costante Cv = M c v calore specifico molare (di 1 mol) a volume costante Q V mc V T n M c V T n C V T

63 Calore specifico a PRESSIONE COSTANTE Pressione = costante Q P T > 0 V > 0 ==> W > 0 Q Q

64 c P = calore specifico a pressione costante C P = M c P calore specifico molare (di 1 mol) a pressione costante E una trasformazione isobara, il calore fornito aumenta l energia interna quindi la temperatura del gas. Determina un espansione e quindi il sistema compie lavoro. Solo una parte del calore fornito produce un aumento di temperatura; quindi a parità di aumento di temperatura sarà necessaria una quantità di calore maggiore. T C n T c m Q P P P A parità di incremento di temperatura tra volume e pressione costante si ha: V P V P V P V P V P C C C C T nc T nc Q Q Q Q 1 1 1

65 SOSTANZA Cv Cp Gas monoatomici Elio 12,47 20,08 argo 12,47 20,82 Gas biatomici Idrogeno 20,42 28,75 Ossigeno 20,76 29,09 Azoto 20,36 28,50 Monossido d azoto 20,88 29,23 Gas poliatomici Anidride carbonica 28,46 39,96 Ammoniaca 27,84 36,81 Valori sperimentali dei Calori specifici di alcuni gas espressi in J/(mol. K)