FONDAMENTI TERMODINAMICI DELL ENERGETICA

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1 G. Comini S. Savino FONDAMENTI TERMODINAMICI DELL ENERGETICA Gianni Comini - Stefano Savino FONDAMENTI TERMODINAMICI DELL ENERGETICA 30,00 IVA COMPRESA ISBN PADOVA PADOVA

2 Prefazione Il volume, dedicato ai Fondamenti Termodinamici dell Energetica viene incontro alle esigenze didattiche dei corsi di Termodinamica Applicata e Fisica Tecnica tenuti agli allievi ingegneri meccanici, gestionali e civili. La collocazione di tali corsi al secondo anno delle lauree triennali richiede un testo introduttivo alle applicazioni ingegneristiche (con particolare riferimento a quelle del settore energetico), piuttosto che un testo volto ad approfondire le implicazioni concettuali della Termodinamica. Pertanto, rispetto al volume Fondamenti di Termodinamica Applicata, sono state ridotte le trattazioni dei cicli diretti ed inversi, e si è rinunciato alla presentazione delle analisi exergetiche di processi e cicli. Nella nuova organizzazione didattica, infatti, gli approfondimenti sui cicli termodinamici vengono generalmente lasciati ai corsi di Macchine, mentre l analisi exergetica viene presentata nei corsi di Energetica. Nel testo si è, comunque, cercato di evitare che la riduzione dei contenuti andasse a scapito della chiarezza espositiva, o creasse quei vuoti concettuali che, spesso, impediscono di apprezzare la grande coerenza interna di una disciplina come la Termodinamica. Per questo motivo, nell esposizione dei principi si è seguito il percorso storico che ha portato alla loro scoperta, piuttosto che il percorso assiomatico nel quale gli enunciati matematici precedono l esame degli aspetti fisici che li giustificano. Analogamente, nelle dimostrazioni non si è trascurato alcun passaggio, e si sono illustrati gli argomenti, tradizionalmente piu ostici, con molti esempi di applicazione. Infine, la presentazione è stata strutturata in modo da consentire l individuazione di percorsi didattici ulteriormente abbreviati che possono non comprendere, ad esempio, il bilancio dell energia meccanica, il moto dei fluidi comprimibili e l energia utilizzabile. Infine, la scelta di utilizzare LATEXnella preparazione del testo ha garantito evidenti vantaggi estetici rispetto al precedente volume Fondamenti di Termodinamica Applicata, ha facilitato la preparazione degli indici ed ha, indubbiamente, ridotto gli errori nelle citazioni di formule, paragrafi e capitoli. Udine, dicembre 2010 Gianni Comini e Stefano Savino III

3 Indice Prefazione Nomenclatura III XI 1 Concetti introduttivi e definizioni INTRODUZIONE SISTEMI CHIUSI SISTEMI APERTI Conservazione della massa UNITÀ DI MISURA SISTEMA INTERNAZIONALE USO DEL SISTEMA INTERNAZIONALE Cambiamento di unità di misura SCALE DI TEMPERATURA Scala di temperature di gas ideale Scala Internazionale Pratica delle Temperature CONCLUSIONI Lavoro e bilancio di energia meccanica INTRODUZIONE SCAMBI DI LAVORO LAVORO IN UN SISTEMA CHIUSO Lavoro tecnico in un sistema chiuso Bilancio dell energia meccanica in un sistema chiuso LAVORO TECNICO IN UN SISTEMA APERTO BILANCIO DELL ENERGIA MECCANICA NEI SISTEMI MO- NODIMENSIONALI STAZIONARI Applicazioni del bilancio dell energia meccanica ai sistemi monodimensionali stazionari Lavoro delle forze di attrito viscoso CONCLUSIONI V

4 3 Primo principio della termodinamica e bilancio dell energia totale INTRODUZIONE PRIMO PRINCIPIO PER I SISTEMI CHIUSI PRIMO PRINCIPIO PER I SISTEMI APERTI Primo principio per sistemi a deflusso monodimensionale stazionario ESEMPI DI APPLICAZIONE Compressori e turbine Scambiatori di calore Valvole di laminazione Sistemi di riempimento PRIMO PRINCIPIO PER TRASFORMAZIONI CICLICHE CALORI SPECIFICI Calori specifici delle Sostanze incomprimibili CONCLUSIONI Secondo principio della termodinamica e bilancio di entropia INTRODUZIONE ENUNCIATI DEL SECONDO PRINCIPIO REVERSIBILITÀ ED IRREVERSIBILITÀ CICLO DI CARNOT E TEMPERATURA TERMODINAMICA Rendimento del ciclo di Carnot diretto e coefficienti di effetto utile dei cicli di Carnot inversi ENTROPIA Disuguaglianza di Clausius ESPRESSIONI DELLA FORMA DIFFERENZIALE T ds Entropia delle sostanze incomprimibili Primo e secondo principio e bilancio dell energia meccanica BILANCIO DI ENTROPIA PER I SISTEMI CHIUSI BILANCIO DI ENTROPIA PER I SISTEMI APERTI Bilancio di entropia per sistemi a deflusso monodimensionale stazionario CONCLUSIONI Gas ideali e loro miscele INTRODUZIONE EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI Calori specifici, energia interna ed entalpia dei gas ideali Valutazione dei calori specifici dei gas ideali Entropia dei gas ideali VI

5 5.3 TRASFORMAZIONI ISOCORE DEI GAS IDEALI TRASFORMAZIONI ISOBARE DEI GAS IDEALI TRASFORMAZIONI ISOTERME DEI GAS IDEALI TRASFORMAZIONI ADIABATICHE ED ISOENTROPICHE DEI GAS IDEALI Lavoro scambiato in trasformazioni adiabatiche Lavoro scambiato in trasformazioni isoentropiche Rendimenti isoentropici TRASFORMAZIONI POLITROPICHE Lavoro scambiato nelle trasformazioni politropiche Calore scambiato nelle trasformazioni politropiche Rendimenti Politropici COMPOSIZIONE DELLE MISCELE DI GAS MODELLI DI DALTON E AMAGAT ENERGIA INTERNA, ENTALPIA ED ENTROPIA DELLE MI- SCELE Variazioni delle proprietà termodinamiche nelle trasformazioni Miscelazione di gas ideali CONCLUSIONI Sostanze pure INTRODUZIONE DIAGRAMMI (p, v, T) e (p, T) DIAGRAMMA (p, v) Liquido sottoraffreddato e vapore surriscaldato FATTORE DI COMPRIMIBILITÀ EQUAZIONI DI STATO DEGLI AERIFORMI Equazione di Van der Waals Equazione del viriale Equazione di Lee-Kesler GRANDEZZE ENERGETICHE DEGLI AERIFORMI Relazioni di Maxwell Equazione di Clausius-Clapeyron Espressione dell energia interna Espressione dell entalpia DIAGRAMMI TERMODINAMICI Diagramma (T, s) Diagramma (h, s) Diagramma (p, h) VII

6 6.8 TRASFORMAZIONI DEGLI AERIFORMI CONCLUSIONI ARIA UMIDA INTRODUZIONE ARIA SECCA E VAPORE D ACQUA PROPRIETÀ TERMODINAMICHE DELL ARIA UMIDA Umidità specifica Umidità Relativa Entalpia specifica dell aria umida Calore specifico a pressione costante dell aria umida DIAGRAMMI PSICROMETRICI Diagramma di Carrier Diagramma di Mollier Diagramma ASHRAE MISURE SULL ARIA UMIDA Temperatura di rugiada Temperatura di bulbo bagnato Individuazione dello stato dell aria umida TRASFORMAZIONI DELL ARIA UMIDA Mescolamento adiabatico Umidificazione adiabatica Umidificazione a vapore Riscaldamento o raffreddamento semplice Raffreddamento con deumidificazione CONDIZIONAMENTO DELL ARIA Condizionamento invernale Condizionamento estivo CONCLUSIONI COMBUSTIONE INTRODUZIONE RICHIAMI DI STECHIOMETRIA Eccesso d aria Analisi dei fumi POTERI CALORIFICI Combustioni reali Variazioni del potere calorifico TEMPERATURA DEI FUMI RENDIMENTI DI CONVERSIONE DELLE COMBUSTIONI VIII

7 8.6 RENDIMENTI DI CALDAIE E GENERATORI DI VAPORE RENDIMENTI DELLE CAMERE DI COMBUSTIONE RENDIMENTI DEGLI IMPIANTI TERMICI MOTORI CONCLUSIONI CICLI DIRETTI INTRODUZIONE CICLO JOULE Ciclo Joule ideale Influenza delle irreversibilità interne Impianti con turbina a gas CICLI DEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA Ciclo Otto Ciclo Diesel Ciclo misto CICLI DIRETTI A VAPORE Ciclo Rankine a vapore saturo Influenza delle irreversibilità interne Miglioramenti del ciclo a vapore saturo Ciclo Rankine a vapore surriscaldato Miglioramenti del ciclo a vapore surriscaldato Impianti con turbina a vapore CONCLUSIONI CICLI INVERSI INTRODUZIONE CICLI INVERSI STANDARD Ciclo frigorifero standard Ciclo standard a pompa di calore Influenza delle irreversibilità esterne FLUIDI FRIGORIGENI MACCHINE AD ASSORBIMENTO Valori massimi dei coefficienti di effetto utile CONCLUSIONI CENNI SUL MOTO DEI FLUIDI COMPRIMIBILI INTRODUZIONE TEOREMA DELLA QUANTITÀ DI MOTO VELOCITÀ DEL SUONO STATO DI RISTAGNO IX

8 11.5 CONDOTTI A SEZIONE VARIABILE Stato critico ESPANSORI IDEALI ESPANSORI REALI Ugello convergente Ugello convergente-divergente Rendimento isoentropico di un ugello CONCLUSIONI Energia utilizzabile INTRODUZIONE BILANCIO DI EXERGIA PER UN SISTEMA CHIUSO Energia utilizzabile di una quantità di calore Energia utilizzabile di una massa di fluido in un sistema chiuso BILANCIO DI EXERGIA PER UN SISTEMA APERTO Energia utilizzabile di una massa di fluido che attraversa un sistema aperto RENDIMENTI DI PRIMO E SECONDO PRINCIPIO ESEMPI DI APPLICAZIONE Cicli diretti bitermici Cicli inversi bitermici Espansori e compressori Scambiatori di calore CONCLUSIONI Appendice 361 Bibliografia 391 X