Motore di Stirling. Scopo dell esperienza

Documenti analoghi
Laboratorio di Sperimentazione di Fisica Corso di Laurea in Matematica A.A R. Cerulli. Guide di laboratorio (versione 1.

il ciclo di Ericsson (1853) caratterizzato da due isoterme e due isobare; il ciclo di Reitlinger (1873) con due isoterme e due politropiche.

Macchine termiche: ciclo di Carnot

MACCHINA DI STIRLING

Termodinamica. secondo principio. ovvero. principio della impossibilità

Termodinamica: - cenni sui gas perfetti - macchine termiche - secondo principio. 18/12/2013 Macchine termiche e Secondo Principio della Termodinamica

Secondo principio della termodinamica: perché????

La macchina termica. Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine 1

F - SECONDO PRINCIPIO

Fisica. Architettura (corso magistrale a ciclo unico quinquennale) Prof. Lanzalone Gaetano. Lezione 6 maggio 2013

Macchine termiche e frigoriferi

GAS IDEALI E MACCHINE TERMICHE. G. Pugliese 1

Fisica 1 Anno Accademico 2011/2012

FISICA. isoterma T f. T c. Considera il ciclo di Stirling, in cui il fluido (=sistema) è considerato un gas ideale.

Figura 1 Trasformazione proibita dal Secondo Principio

L ENERGIA CINETICA DELLE MOLECOLE DI UN GAS E LA TEMPERATURA Ogni molecola ha in media un'energia cinetica

COMPITO A. 4) Primo principio della termodinamica per sistemi chiusi ed aperti. 5)Teoremi di Carnot: enunciati ed esempi

FISICA per SCIENZE BIOLOGICHE A.A. 2012/2013 APPELLO 18 Luglio 2013

Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale

Termodinamica e trasmissione del calore 3/ed Yunus A. Çengel Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

Cap 21- Entropia e II Legge della Termodinamica. Entropia

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA SISTEMA

L equilibrio dei gas. Lo stato di equilibrio di una data massa di gas è caratterizzato da un volume, una pressione e una temperatura

FISICA. Un sistema formato da un gas ideale monoatomico(= sistema) alla pressione costante di 110kPa acquista 820J di energia nella modalità calore.

IL CICLO DI CARNOT. Scambi di energia durante il ciclo

PRIMI ELEMENTI DI TERMODINAMICA. La termodinamica studia le leggi con cui i sistemi scambiano (cedono e ricevono) energia con l ambiente.

Prova scritta di Fisica Generale I Corso di studio in Astronomia 16 luglio 2013

STIRLING. Laboratorio 2 (meccanica e termodinamica) F.Balestra 1. Vista complessiva del motore ad aria calda

Relazione sull esperienza. con il MOTORE DI STIRLING

Fisica per scienze ed ingegneria

Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici CAPITOLO 5 TERMODINAMICA

Esame scritto Fisica 1 del 13 settembre soluzione

Corso di Fisica Generale 1 (mod. B) Esercitazione Giovedì 9 giugno 2011

PMS PMI CICLO DI UN MOTORE A QUATTRO TEMPI (CICOLO DI OTTO)

FISICA TECNICA (Ingegneria Medica)

Esercitazione 3. Esercizio 1

Dalla legge dei gas perfetti si ha il rapporto tra il numero di moli dei due gas R T 1 V 2 P V 1. =n 1. RT 2 =V 2 qundi: n 1 = T 2. =n 2.

Studia le leggi con cui i corpi scambiano (cedono/assorbono) lavoro e calore con l'ambiente che li circonda.

Macchine Termiche: Guida schematica agli argomenti trattati a lezione

Motori e cicli termodinamici

Soluzioni della prova scritta di Fisica Generale

Componenti impianto frigorifero. Certificazione Frigoristi Regolamento CE n.842/2006

CAPITOLO 4 CICLO FRIGORIFERO

Frigorifero CICLO FRIGORIFERO-TEORIA L = Q C - Q F. Coefficiente di prestazione

Temi di termodinamica

Ingegneria Edile-Architettura Esercizi di Fisica Tecnica Ambientale Termodinamica

Il primo principio della termodinamica

2) Primo principio della Termodinamica

TRASFORMAZIONI REVERSIBILI E IRREVERSIBILI

Fisica Generale I (primo e secondo modulo) A.A , 2 settembre 2009

Copyleft elettrix01. Relazione sui Riduttori

UNITA' 7 SOMMARIO ATTENZIONE

Trasformazioni reversibili e irreversibili:

UNIVERSITA DI ROMA LA SAPIENZA FACOLTA DI INGEGNERIA. Anno Accademico Prova scritta dell esame di Fisica I - 12 gennaio 2009

CAPITOLO 2 CICLO BRAYTON TURBINE A GAS

Calore, lavoro e trasformazioni termodinamiche (1)

Problemi di Fisica per l ammissione alla Scuola Galileiana Problema 1

CAPITOLO 4 CICLO FRIGORIFERO

Laboratorio di termodinamica: esperienze 3 4. Apparato per lo studio delle leggi sui gas - Macchina termica

1) Per quale valore minimo della velocità angolare iniziale il cilindro riesce a compiere un giro completo.

Indice. Prefazione alla terza edizione italiana...xi. Ringraziamenti dell Editore...XIII. Guida alla lettura...xiv

FISICA. Termodinamica SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA. Autore: prof. Pappalardo Vincenzo. docente di Matematica e Fisica

Trasformazione di calore in lavoro: le macchine termiche

Dati numerici: f = 200 V, R 1 = R 3 = 100 Ω, R 2 = 500 Ω, C = 1 µf.

CORSO DI LAUREA IN SCIENZE BIOLOGICHE Prova di FISICA del 9 novembre 2004

Attuatori. Gli attuatori costituiscono gli elementi che controllano e permettono il movimento delle parti

PROBLEMI SULLE MACCHINE TERMICHE A cura del Prof. T.Papa ; ) Q 2 = Q 1 Q 1. t = dm. dt H; = nrt A ln 4 < 0; R 1 = 3 2 R: C + ln 4 C p = 1

Preparazione alle gare di II livello delle Olimpiadi della Fisica

CORSO DI LAUREA IN SCIENZE BIOLOGICHE Secondo Compitino di FISICA 15 giugno 2012

Corso di Laurea in Scienze Ambientali Corso di Fisica Generale II a.a. 2010/11. Prova di esame del 14/11/ NOME

Fondamenti di Meccanica Esame del

Lezione estd 29 pagina 1. Argomenti di questa lezione (esercitazione) Iniziare ad affrontare esercizi di termodinamica

CALORIMETRO DELLE mescolanze

Esercitazione di Fisica Tecnica

Bilancio di energia: il Primo Principio della Termodinamica. Termodinamica dell Ingegneria Chimica

FISICA per SCIENZE BIOLOGICHE A.A. 2013/2014 1) FLUIDI V= 5 dm3 a= 2 m/s2 aria = g / cm 3 Spinta Archimedea Tensione della fune

a) compressione adiabatica fino alla pressione p 2 = kg/cm 2 ;

CONVENZIONE SUI SEGNI

La corrente alternata

Soluzioni dell Esame di Fisica per Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni (Parte I):

LA TRASMISSIONE DEL CALORE

Termodinamica. Sistema termodinamico. Piano di Clapeyron. Sistema termodinamico. Esempio. Cosa è la termodinamica? TERMODINAMICA


ferma e permane indefinitamente in quiete

Pannelli solari a HEAT PIPE

MANUALE USO E MANUTENZIONE PFI 60 RADIALE - PFI 60 P RADIALE

Campi Elettrici e Magnetici. ELETTROSTATICA Cariche Elettriche e Forze Elettriche

Determinazione del coefficiente di Joule-Thomson di un gas

Termodinamica e trasmissione del calore 3/ed Yunus A. Çengel Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA

Lavoro. Esempio. Definizione di lavoro. Lavoro motore e lavoro resistente. Lavoro compiuto da più forze ENERGIA, LAVORO E PRINCIPI DI CONSERVAZIONE

I Prova scritta di Fisica ( Scienze Biologiche ) Marzo 26, 2003

Problema (tratto dal 7.42 del Mazzoldi 2)

Ciclo Otto (Motore a Benzina)

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BRESCIA

Le macchine termiche e il secondo principio della termodinamica

ESERCITAZIONI DI AZIONAMENTI ELETTRICI. Circuiti equivalenti della macchina asincrona.

Corso di FISICA TECNICA I

Capitolo Descrizione tecnica del sensore MAF a filo caldo

FISICA per SCIENZE BIOLOGICHE Prova scritta 17 Gennaio 2013

Transcript:

Motore di Stirling Scopo dell esperienza Lo scopo dell esperienza è duplice: calcolare il rendimento del motore in seguito alla realizzazione di un ciclo termico determinare il potere refrigerante e calorifico nel caso in cui il motore compia un ciclo frigorifero. Descrizione del ciclo termico Il ciclo è composto da quattro trasformazioni, rappresentate nel piano (p, V): 1. A B: compressione isoterma a temperatura T 1, con diminuzione di volume ed aumento di pressione 2. B C: trasformazione isocora con aumento di pressione e di temperatura, da T 1 a T 2. 3. C D: espansione isoterma a temperatura T 2, con aumento di volume e diminuzione di pressione 4. D A: trasformazione isocora con diminuzione di pressione e di temperatura che ritorna al valore iniziale T 1. Rendimento del ciclo termico Si definisce rendimento di una macchina il rapporto fra l energia che ottengo durante un ciclo e l energia che deve essere fornita durante il ciclo stesso: η = energia che ottengo / energia che fornisco Il lavoro ottenuto può essere calcolato utilizzando il primo principio della termodinamica, che uguaglia la variazione di energia interna durante una trasformazione termodinamica alla differenza

fra il calore assorbito ed il lavoro fatto dal sistema durante la trasformazione stessa. In un ciclo la variazione di energia interna è nulla e quindi il lavoro ottenuto coincide con la quantità di calore complessivamente scambiata fra sistema ed ambiente durante tutte le trasformazioni che costituiscono il ciclo. Graficamente il lavoro ottenuto è rappresentato dall area contenuta nella curva che rappresenta il ciclo stesso nel piano pv. Per determinare L e Q si considerano le singole trasformazioni: L AB = Q AB = nrt 1 ln(v 1 /V 2 ) L BC = 0 Q BC = nc V (T 2 T 1 ) L CD = Q CD = nrt 2 ln(v 2 /V 1 ) L DA = 0 Q DA = nc V (T 1 T 2 ) per cui L = nr ln(v 2 /V 1 ) (T 2 T 1 ) Il rendimento η = energia (= lavoro) che ottengo / energia (= calore) che fornisco può essere calcolato dalle relazioni precedenti. Si può notare come, nel caso in cui il calore scambiato durante le trasformazioni isocore non venga perso dal sistema, ma venga immagazzinato in uno scambiatore, e successivamente da esso restituito, il rendimento del motore diventi dipendente solo dal rapporto fra le temperature delle due isoterme. Esso è quindi pari al rendimento del ciclo di Carnot. In effetti la lana di rame che fa parte dell apparato sperimentale ha proprio lo scopo di realizzare la presenza di uno scambiatore termico. Essendo poi la potenza il rapporto fra il lavoro ottenuto e la quantità di tempo in cui esso è stato realizzato, si può facilmente passare dal lavoro alla potenza, ricavando così la potenza ottenuta durante il ciclo. Essa va confrontata con la potenza fornita per ottenere il rendimento come: η = potenza che ottengo / potenza che fornisco Nel caso in esame, la potenza fornita attraverso il passaggio di corrente in una resistenza, con cessione di calore all aria, viene direttamente indicata dalla lettura del wattmetro. Durante l esperienza vengono invece raccolti i dati che permettono di arrivare alla conoscenza della potenza ottenuta durante il ciclo. La potenza ottenuta può anche essere ricavata con il metodo meccanico, detto del freno dinanometrico, per cui definiamo il rendimento del motore come: η = P M / P E dove P M è la potenza meccanica erogata dal motore e P E la potenza elettrica responsabile del funzionamento del motore stesso. Il motore ad aria calda è una macchina articolata in più elementi. Osserviamo che esso è costituito principalmente da un tubo di vetro lubrificato con olio al silicone e resistente al calore. In

esso distinguiamo due regioni: una parte inferiore e una superiore. La parte inferiore del cilindro è circondata da una camicia di raffreddamento; attraverso questa intercapedine scorre dell acqua proveniente da due tubicini connessi da un estremo ai rubinetti presenti nel laboratorio, dall altro agli opportuni attacchi collocati nel corpo centrale del cilindro. La regione superiore del tubo centrale non è invece provvista di alcun sistema di raffreddamento. Inoltre notiamo la presenza di una resistenza che si riscalda per il passaggio di una corrente generata da una differenza di potenziale di 10 volt; questa resistenza elettrica fornisce l energia termica necessaria al funzionamento della macchina come motore. Quando la macchina funziona come macchina frigorifera la resistenza viene sostituita da un termometro. Schema dei componenti 1 e 2 pistoni 3 parte superiore del cilindro non raffreddata 4 camicia di raffreddamento 5 e 6 attacchi per i tubi 7 lana di rame 8 filamento elettrico 9 Volano 10 Eccentrici 11 manometro Nel cilindro scorrono due pistoni. Il pistone inferiore serve a comprimere e ad espandere periodicamente l aria all interno del cilindro. Il pistone superiore, grazie ad un foro praticato in esso, ha la funzione di trasferire l aria dalla parte superiore del cilindro alla parte inferiore e viceversa. Notiamo inoltre che all interno del foro del pistone, per il tempo in cui il motore funziona come macchina termica, è disposta una matassa di lana di rame la cui esistenza è funzionale al bilancio energetico del ciclo. Essa ha, infatti, la funzione di prelevare calore dall aria che la attraversa provenendo dall alto e di cederlo all aria che, invece, fluisce dal basso. Il ciclo ha inizio con una compressione isoterma in cui il pistone superiore si trova nella parte alta del cilindro mentre il pistone inferiore, muovendosi verso l alto, produce una compressione dell aria. Questa, essendo a contatto con le pareti raffreddate dall acqua, si comprime isotermicamente cedendo calore. Nella seconda fase (trasformazione isocora), il pistone superiore si muove verso il basso consentendo il passaggio dell aria dalla parte inferiore del cilindro alla parte superiore riscaldata. Successivamente il pistone inferiore scende verso il basso e l aria, assorbendo calore dalla resistenza elettrica, si espande isotermicamente. Infine, il pistone superiore torna verso l alto (trasformazione isocora) e l aria, essendo nuovamente a contatto con le pareti raffreddate del cilindro, si raffredda ritornando alla temperatura iniziale.

Il movimento periodico dei cilindri, secondo le trasformazioni elencate in precedenza, provoca il moto rotatorio dell asse del motore che, dopo una prima fase di riscaldamento, raggiunge una situazione di stabilità. Il raggiungimento dello stato di regime è riconoscibile poiché il numero di giri al minuto compiuti dal motore rimane costante: nel grafico che riporta il numero di giri in funzione del tempo compare di conseguenza un pianerottolo. Dal numero di giri del motore n si determina la velocità angolare ω. La potenza (energia fratto tempo, ma anche forza per velocità) può essere espressa, nel moto rotatorio, come momento della forza per velocità angolare. Si applica una forza frenante F, di intensità nota, attraverso l applicazione di un dinamometro; il momento della forza può essere espresso come forza per braccio. Noto il diametro dell albero del motore d, si ricava il momento frenante M f = F d/2. Si ha quindi una potenza fornita inizialmente Mω, che determina la velocità ω. Dopo l applicazione della forza frenante la velocità di rotazione del motore si attesta su un valore inferiore ω (determinato attraverso il conteggio del numero di giri n del motore in condizione frenata). La potenza fornita è la stessa di prima, ma la velocità ottenuta è inferiore, perciò parte della potenza fornita deve essere dissipata a causa della forza frenante. Applicando quindi il teorema di conservazione dell energia possiamo scrivere: Mω = Mω + M f ω dove M f ω e la potenza dissipata.

Si ottiene che: M = F d ω / 2 (ω ω ) da cui la potenza meccanica è: P = M ω = ω ω F d/2(ω ω ) Si ricava quindi il rendimento. Potere refrigerante e calorifero Quando il motore viene utilizzato a ciclo inverso, come macchina frigorifera, se ne determina la bontà di funzionamento espressa dal potere refrigerante. Il potere calorifico, invece, viene determinato quando la macchina funziona come pompa di calore. Nel caso della macchina frigorifera l attenzione viene più posta sulla quantità di calore che viene sottratto al corpo freddo, mentre nella pompa di calore alla quantità di calore che viene ceduta al corpo caldo. In ambedue i casi l energia fornita è quella meccanica e l efficienza della macchina resta espressa dal rapporto fra l energia (o la potenza) ottenuta rispetto all energia (o la potenza) fornita: ε = energia (termica) ottenuta / energia (meccanica) fornita Nell apparato sperimentale la resistenza viene sostituita da un termometro che permette di misurare la variazione di temperatura nel tempo. Il volano della macchina viene collegato per mezzo di una cinghia ad un motore che fornisce l energia meccanica necessaria a compiere il ciclo. Il funzionamento del motore può essere utilizzato in due modi: il volano ruota in senso orario e la macchina assorbe calore dall aria che si trova nella parte superiore del cilindro, a temperatura più bassa, cedendolo all acqua contenuta nell intercapedine di raffreddamento (che e a temperatura maggiore). Il termometro mostra una diminuzione di temperatura dell aria. In questa fase la macchina funziona come macchina frigorifera. il volano ruota in senso antiorario e la macchina (che ora e una pompa di calore) assorbe calore dall acqua trasferendolo all aria, nella regione più alta del cilindro, che quindi progressivamente si riscalda. La variazione di temperatura è però a sua volta legata, in proporzionalità diretta, alla quantità di calore che viene scambiata, secondo la seguente espressione: Q/ t = c ( T/ t) dove T/ t è la rapidità con cui varia la temperatura e c è una costante del motore. Esistendo quindi una proporzionalità diretta tra potere refrigerante (e calorifico) e rapidità di variazione della temperatura, la misura di T/ t permette di determinare il potere refrigerante Q/ t.