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Dimostrazioni di Fisica tecnica

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Dimostrazioni di Fisica tecnica
Dimostrazioni e proposizioni di Fisica Tecnica – Silvio Moioli
1. Lavoro di dilatazione in forma integrale
Si consideri un S.T. in espansione: sia P la pressione interna del sistema, Q un punto sulla superficie
 esterna del sistema, A l’elemento di area vicino a Q ove grava tale pressione, 
n la normale
all’elemento di area e d l lo spostamento infinitesimo di A dovuto alla dilatazione.
Per definizione,
 d s
W =∫ F
ma in Q agisce una forza dovuta alla pressione pari a:
 =PA n
F
e siccome d l =d s posso scrivere:
W =∫ PA n d l =∫ PdV

V
per il primo principio della termodinamica, il lavoro di espansione è negativo, quindi sarà:
W =−∫ PdV .
V
2. Energia interna in forma differenziale
Per il primo principio della termodinamica:
 U = Q e  W nf ,e
differenziando ottengo:
dU =Q e  W nf , e
3. Primo principio della termodinamica generalizzato
Considerando che, per definizione:
W e =W nf , e W cf ,e
e che:
W cf ,e = E cin  E pot
il primo principio della termodinamica  U = Qe  W nf ,e si riscrive come:
 E cin E pot  U = Q e  W e .
4. Quantità di calore in forma integrale
Per definizione:
CV =
1  Qe
∣
N dT V
da cui si ricava:
 Qe =NC V dT
e per integrazione:
T2
 Q e =∫ NC V dT
T1
Con un’analoga dimostrazione vale inoltre:
T2
 Qe =∫ NC P dT e  Qe =NC P dT .
T1
5. Quantità di calore per calore specifico costante
Considerando una trasformazione senza variazione del numero di moli e con C P o C V costanti per
il punto 4 si ha:
 Q e =mC *V  T =NC V  T (a volume costante) oppure:
 Q e =mC *P  T = NC P  T (a pressione costante).
6. Legame energia interna-calore specifico (equazione dei bilanci termici)
Considerando una trasformazione isocora per cui il solo lavoro è di dilatazione, dato che non c’è
variazione di volume, si ottiene:
 W nf , e =−PdV =0
e per il punto 2:
*
dU =Q e =NC V dT =mC V dT
Per il punto 5 si ha:
*
 U = Qe = NC V  T =mC V  T
OSS.: Essendo U funzione di stato, la legge vale per qualunque trasformazione.
7. Entalpia in forma differenziale
Per definizione:
H =U  PV
differenziando si ha:
dH =dU PdV VdP .
8. Legame entalpia-calore specifico
Considerando un sistema quasi-statico, isobaro e per cui il solo lavoro è di dilatazione, per il punto 7 si
ha:
dP=0 dH =dU VdP e  W nf , e =−PdV , cioè
dU =Q e  W nf , e =Q e −PdV  Q e=dU PdV
ma, ancora, per il punto 7:
 Q e =dU PdV =dH .
Inoltre, per il punto 4:
dH = NC P dT e per il punto 5:
 H =NC P  T .
OSS.: Essendo H funzione di stato, la legge vale per qualunque trasformazione.
9. Entropia in forma differenziale
Per definizione:
S=
j
U PV

−∑
Nj
T
T
j T
Le derivate parziali valgono:
∂ S 1 ∂ S P ∂ S − j
= ,
= ,
=
∂U T ∂V T ∂ N j
T
Quindi il differenziale vale:
dS =
j
1
P
dU  dV −∑ dN j .
T
T
j T
10. Equilibrio di due corpi adiacenti a temperature diverse
Ipotesi: si consideri un S.T. isolato, composto da due S.T. rispettivamente a temperature T1 e T2, T1<T2
separati da una parete mobile e permeabile dalle specie chimiche che compongono i due sistemi.
Tesi: il calore fluirà dal sistema a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa finché T1=T2.
Dimostrazione: per l’estensività della funzione entropia, deve essere:
S tot =S 1 S 2 perciò:
dS tot =dS 1dS 2 =
P1
 j ,1
P2
 j ,2
1
1
dU 1 dV 1−∑
dN j ,1  dU  dV 2−∑
dN j , 2 , j=1...r .
T1
T1
T1
T2
T2
T2
j
j
Inoltre, all’equilibrio avrò dS tot =0 e, siccome il sistema è isolato:
V tot =V 1V 2=costante , dV tot =0, dV tot =dV 1dV 2  dV 1=−dV 2 ,
U tot =U 1U 2=costante , dU tot =0, dU tot =dU 1dU 2 dU 1=−dU 2 ,
N j ,tot = N j ,1N j , 2=costante , dN j ,tot =0, dN
j , tot
=dN j ,1dN j ,2  dN j ,1=−dN j , 2 , j=1...r
quindi, sostituendo:

P1 P2
 j ,1  j , 2
1
1
−  dU 1 −  dV 1−∑ 
−
 dN j ,1=0, j=1...r .
T1 T2
T1 T2
T1
T2
j
In generale essendo dU 1 , dV 1 e dN j ,1 , j =1...r arbitrari saranno non-nulli, e quindi per
raggiungere l’equilibrio dovrà essere soddisfatto il sistema:
{
1
1
− =0
T1 T 2
P1 P2
− =0 , j=1...r cioè il sistema equivalente:
T1 T2
 j ,1  j ,2
−
=0
T1
T2
{
T 1 =T 2
P1 =P 2 , j=1...r c.v.d.
 j ,1 = j , 2
11. Energia interna in funzione di P, S e  j (relazione fondamentale di tipo
energia)
Per il punto 9:
dS =
j
1
P
dU  dV −∑ dN j , da cui si ricava
T
T
j T
dU =TdS−PdV ∑  j dN j (forma differenziale)
j
o per la definizione di entropia:
S=
j
U PV

−∑
Nj  U =ST −PV ∑  j Nj (forma integrata).
T
T
j T
j
12. Legame entropia-calore
Considerando un sistema chiuso ( dN j =0, j=1...r ), con solo lavoro di dilatazione (
 W nf , e =−PdV ) per il punto 2 si ha:
dU =Q e  W nf , e =Q e −PdV ora per il punto 11:
dU =TdS−PdV ∑  j dN j =TdS− PdV .
j
Uguagliando le ultime due scritture si ottiene:
 Qe =TdS
dS =
 Qe
(forma differenziale), oppure
T
Q2
 S =∫
Q1
 Qe
(forma integrata).
T
13. Legame entropia-calore per le isoterme
Con le stesse ipotesi del punto precedente, in una trasformazione isoterma integrando si trova:
 Qe
.
S=
T
14. Legame entropia-calore specifico
Sotto le stesse ipotesi del punto 12, vale:
 Q e =TdS
quindi posso scrivere:
CV =
1  Qe
T dS
ds
∣V =
∣V =T
∣ e
N dT
N dT
dT V
C P=
1  Qe
T dS
ds
∣P =
∣P =T
∣ .
N dT
N dT
dT P
15. Equazione di Gibbs-Duhem
Per il punto 11 valgono:
dU =TdS−PdV ∑  j dN j e U =ST −PV ∑  j Nj ,
j
j
differenziando la seconda si ottiene:
dU =TdSSdT −PdV −VdP∑  j dN j ∑ N j d  j
j
j
ed eguagliando:
TdS −PdV ∑  j dN j=TdS SdT −PdV −VdP∑  j dN j∑ N j d  j
j
j
j
che semplificando si riduce a: SdT −VdP∑ N j d  j =0 .
j
16. Dimostrazione dell’enunciato di Kelvin
Ipotesi: si consideri un S.T. isolato, composto da un serbatoio di calore a temperatura T s e da una
macchina termica ideale (in grado di trasformare qualsiasi quantità di calore in ingresso Q in pari
lavoro meccanico W).
Tesi: la trasformazione di calore preso dal serbatoio in lavoro da parte della macchina termica è
impossibile.
Dimostrazione: per l’estensività della funzione entropia, deve essere:
S tot =S sS m , ma
 =costante per l’idealità della macchina, quindi:
S m =S m U ,V , N
 S tot = S s S m = S s .
Dal momento che il serbatoio non compie lavoro per definizione e che il sistema è isolato, valgono le
ipotesi dei punti 12 e 13 e posso scrivere:
 S s=
Qe
Ts
ma essendo T s0 in quanto temperatura assoluta e  Q e 0 in quanto uscente dal serbatoio, si
conclude che  S s = S tot 0 ossia la trasformazione è impossibile c.v.d.
17. Dimostrazione dell’enunciato di Clausius
Ipotesi: si consideri un S.T. isolato, composto da due serbatoi di calore rispettivamente a temperatura
T h e T c , con T h T c .
Tesi: è impossibile che una qualsiasi quantità di calore Q fluisca spontaneamente tal serbatoio a
temperatura più bassa a quello a temperatura più elevata.
Dimostrazione: per l’estensività della funzione entropia, deve essere:
 S tot = S c  S h , ma dal momento che i serbatoi non compiono lavoro per definizione, che il
sistema è isolato, e che le trasformazioni sono isoterme valgono le ipotesi dei punti 12 e 13 e posso
scrivere:
 S tot =−
 S tot =
Q Q

cioè
T c Th
1
1
− Q .
Th Tc
Per essere possibile, deve essere  S tot 0 , ossia T h T c che è contro le ipotesi, dunque la
trasformazione è impossibile c.v.d.
18. Rendimento massimo di una macchina ideale per trasformazioni quasistatiche
Considerando il S.T. isolato in figura composto da due serbatoi di calore a temperature T c e T h
rispettivamente e dalla macchina termica ideale M:
per l’estensività della funzione entropia si può scrivere:
 S tot = S c  S h S M , per l’idealità della macchina inoltre  S M =0 quindi:
 S tot = S c  S h . Perché la trasformazione sia possibile, inoltre:
 S tot = S c  S h≥0
Dal momento che i serbatoi non compiono lavoro per definizione, che il sistema è isolato e che le
trasformazioni sono isoterme valgono le ipotesi dei punti 12 e 13 e posso scrivere:
−
Q q
 ≥0 cioè
Th Tc
Q Th
≤
. Nel caso quasi-statico quindi sarà
q Tc
Q Th
=
.
q Tc
Per definizione di rendimento, si ha:
=
W
Q
e per idealità della macchina:
W =Q−q
da cui:
max =
Q−q
q
=1−
, ma per quanto sopra:
Q
Q
max =1−
Tc
.
Th
19. Rendimento massimo di una macchina frigorifera ideale per
trasformazioni quasi-statiche
Considerando il S.T. isolato in figura composto da due serbatoi di calore a temperature T c e T h
rispettivamente e dalla macchina termica ideale M:
per l’estensività della funzione entropia si può scrivere:
 S tot = S c  S h S M , per l’idealità della macchina inoltre  S M =0 quindi:
 S tot = S c  S h . Perché la trasformazione sia possibile, inoltre:
 S tot = S c  S h≥0
Dal momento che i serbatoi non compiono lavoro per definizione, che il sistema è isolato, e che le
trasformazioni sono isoterme valgono le ipotesi dei punti 12 e 13 e posso scrivere:
Q q
− ≥0 cioè
Th Tc
Q Th
≥
. Nel caso quasi-statico quindi sarà
q Tc
Q Th
=
.
q Tc
Per definizione di rendimento, si ha:
=
q
W
e per idealità della macchina:
W =Q−q
da cui:
q
max =
=
Q−q
q
Q
−1
Tc
Tc
Tc
= 1−  =...=
.
q Th
Th
T c −T h
1−
Q
20. Coefficiente di dilatazione isobara per un gas perfetto
Per definizione:
=
1 ∂v
V
∣ , con v =
.
v ∂T P
m
Per un gas perfetto, per definizione, vale
PV = NRT , ossia
Pv=R* T , da cui v =R
*
T
.
P
Sostituendo si ottiene:
=
1
.
T
21. Coefficiente di comprimibilità isoterma per un gas perfetto
Per definizione:
K P =−
1 ∂v
∣
v ∂P T
ma per il punto precedente:
v =R
*
K P=
T
, da cui:
P
1
P
22. Legame tra calori specifici per un gas perfetto (legge di Mayer)
Per definizione:
CV =
1  Qe
1  Qe
∣V e C P=
∣ da cui subito si ricava:
N dT
N dT P
C P−C V =
Q e
1 Qe

∣P −
∣  .
N dT
dT V
Per i gas perfetti, l’unico lavoro possibile è  W nf , e =−PdV e siccome il gas è nelle stesse condizioni
 U =0 , da cui
 Qe =PdV .
Sostituendo nell’espressione di cui sopra:
C P−C V =
1 PdV
PdV
1 PdV

∣P−
∣V = 
∣  .
N dT
dT
N dT P
Inoltre per il fatto che il gas è perfetto:
PV = NRT V =
NRT dV NR

=
da cui:
P
dT
P
C P−C V =R . Per dimostrazione analoga vale anche:
*
*
C P−C V =R
*
.
23. Variazione di entropia per un gas perfetto
Considerando un S.T. chiuso dNj =0 j=1...r e che non compie lavori non conservativi
 W nf , e =0 per il punto 9 vale:
dS =
j
1
P
dU  dV −∑ dN j , cioè
T
T
j T
dS =
1
P
dU  dV . Per il punto 6 vale anche:
T
T
*
dU =mC V dT e per la legge dei gas perfetti:
*
PV =mR * T  P=
mR T
quindi il differenziale dell’entropia si può riscrivere come:
V
*
dS =
mC V dT mR*

dV ed integrando:
T
V
T2
V2
*
*
mC V
T
V
mR
*
*
 S =∫
dT ∫
dV =mC V ln  2 mR ln  2  .
T
V
T1
V1
T
V
1
1
OSS.: Essendo S funzione di stato, la legge vale per qualunque trasformazione.
24. Legame entalpia-energia interna per un liquido o solido perfetto
Per il punto 7 vale:
dH = NC P dT ossia dH =mC *P dT .
ma per definizione C *P=C *V , e per il punto 6: dU =mC *V dT .
In conclusione:
dH =dU cioè
H =U
25. Variazione di entropia per un liquido o solido perfetto
Per il punto 23 vale sempre:
T2
V2
*
mR ln   , ma dal momento che i liquidi e i solidi perfetti per definizione non
T1
V1
sono comprimibili ( dV =0 ):
*
 S =mC V ln
*
 S =mC V ln 
T2
 .
T1
26. Legame pressione-volume nelle trasformazioni adiabatiche
Considerando un S.T. isolato in grado di scambiare lavoro con l’esterno in maniera adiabatica,
contenente un gas perfetto in espansione, per il punto 1 si ha:
dU =Q e  W nf , e=W nf ,e =−PdV .
Inoltre vale
PV =mR * T , cioè
Ricordando che, per il punto 6:
P=
mR * T
.
V
*
dU =mC V dT posso scrivere:
*
dU =mC V dT =−
mR* T
dV che, integrata, assume la forma:
V
R
*
T2
V1
T2
V1
T2
V1
*
C ln  =R ln   ln  =ln   ln =ln  C 
T1
V2
T1
V2
T1
V2
*
V
*
V
R
*
R
*
R
T 2 V 1C
C
C
=
 T 1 V 1 =T 2 V 2
T1 V 2
*
V
*
V
Infine, essendo T =
R
*
*
V
*
, ossia
TV
R
*
CV
=costante
.
PV
* posso anche scrivere:
mR
*
*
R
PV
C
*
C
ossia
dividendo
per
(costante):
mR

V
=costante
*
 PV V =costante ossia:
mR
*
V
*
*
V
*
R C V
C
PV
*
V
=costante
che per il punto 22 si riscrive come:
*
k
PV =costante , k =
CP
.
*
CV
27. Isoentropicità delle trasformazioni adiabatiche quasi-statiche
Q2
Vale il punto 12:  S =∫
Q1
 Qe
ma  Qe =0 dunque  S =0 .
T
28. Gradi di libertà di un S.T. (regola delle fasi di Gibbs)
Considerando un sistema con M fasi ed r componenti chimiche all’equilibrio, per il punto 10 posso
scrivere le seguenti equazioni indipendenti:
T 1=T 2=...=T M (le temperature degli M sistemi monofase devono essere uguali, M-1 equazioni)
P 1=P 2=...=P M (le pressioni degli M sistemi monofase devono essere uguali, M-1 equazioni)
 j ,1= j ,2 =...= j , M con j=1..r (i potenziali chimici di ogni sostanza degli M sistemi monofase
devono essere uguali, (M-1)*r equazioni)
S 1 dT 1−V 1 dP1∑ N j ,1 d  j ,1=...=S M dT M −V M dP M ∑ N j , M d  j , M =0
j
j
(deve valere
l’equazione di Gibbs-Duhem per gli M sistemi monofase, M equazioni)
Riassumendo, posso scrivere M −1r 2M =Mr3M−r−2 relazioni indipendenti. Perché il
sistema sia matematicamente risolubile (ossia possa essere in equilibrio), il numero di equazioni
linearmente indipendenti deve essere minore o uguale al numero di variabili, ossia:
Mr3M−r −2≤M r 2  M ≤r2
Dato un numero di fasi, questo pone un vincolo al massimo numero di variabili termodinamiche
indipendenti. Questo numero è espresso dall’equazione:
f =∣r 2−M ∣
dove f si definisce grado di libertà del sistema.
29. Legame volumi specifici-titolo (regola della leva)
Considerando un sistema bifase chiuso composto da una componente liquida e una allo stato di vapore,
si può sempre scrivere:
V tot =V l V v , ossia, dividendo per la massa totale del sistema:
V tot V l
Vv
V
=

che per definizione di volume specifico v =
diventa:
m
m tot m tot m tot
V tot v l ml v v mv
=

. Ora, per la definizione di titolo
mtot mtot
mtot
X=
mv
:
m tot
<v>=1− X  v l  Xv .
30. Equazione di Clausius-Clapeyron
Supponendo un sistema bifase con una sola componente chimica all’equilibrio e a pressione costante,
per il punto 15 per ognuno dei sotto-sistemi semplici vale:
SdT −VdPN j d  j=0 . Quindi posso scrivere le equazioni:
'
'
'
'
S dT −V dPN d  =0 e
''
''
''
''
S dT −V dP N d  =0 che possono essere riscritte, considerando le variabili massiche, come:
'
'
'
s dT −v dPd  =0 e
''
''
''
s dT −v dPd  =0 . Inoltre, essendo il sistema all’equilibrio, per il punto 10:
'
''
'
''
 =  d  =d  e cioè:
'
'
''
''
−s dT v dP=−s dT v dP da cui si ricava:
''
'
dP s −s
=
.
dT v '' −v '
Dal momento che qualsiasi sistema bifase si trova sempre a una stessa temperatura di saturazione, la
differenza  s=s'' −s ' per il punto 13 può essere scritta come:
 Qe
. Poiché la pressione è costante, si definisce entalpia di saturazione massica la
T sat m
 Qe
quantità h '  ' ' =
, e la relazione precedente assume la forma:
m
''
'
 s=s −s =
' ' '
dP
h
=
.
dT T sat v '' −v ' 
31. Bilancio di massa nei volumi di controllo a regime stazionario
Considerando un volume di controllo con fluido incomprimibile ( =costante ), per definizione
risulta:
ṁ=  V  A ossia: ṁ=V  A . Considerando n imbocchi, la massa deve conservarsi, quindi
si può scrivere:
n
∑ V  A=0
.
i=0
32. Bilancio di energia nei volumi di controllo a regime stazionario
Per il punto 3 vale:
 E cin E pot  U = Q e  W e . Analogamente varrà il bilancio sulle potenze, quindi:
˙ e  W
˙ e e dividendo entrambi i membri per ṁ :
 E˙ cin E˙ pot ˙U = Q
˙ cin  E˙ pot ˙U  ˙Qe  W
˙ e
E
che si può più semplicemente riscrivere come:


=

ṁ
ṁ
ṁ
ṁ
ṁ
˙ e
 ˙Qe  W
.
 e cin e pot  u=

ṁ
ṁ
Nei volumi di controllo, inoltre, esiste sempre un lavoro detto di pulsione con la associata potenza, che
sono definite come segue:
L p=P v̇ , v̇= ṁv * e
Lp
*
=Pv .
ṁ
Per completezza, inoltre, si introduce anche un termine detto “perdite di carico” che rappresentano il
lavoro dissipato dal fluido in calore a causa degli attriti nell'unità di tempo. Normalmente le perdite di
P diss
carico si indicano con la scrittura −
(il segno è negativo poiché il lavoro è uscente).

Considerando un sistema ad un ingresso ed un'uscita possiamo quindi scrivere:
2
2
V 2 V1
W ˙e,m Q̇e
 P diss
*
*
, dove con W˙e,m si intendono i
−
gh 2−gh1u 2−u 1=
 P 1 v 1− P 2 v 2−
2
2
ṁ
ṁ

lavori meccanici (non-pulsione e non-perdite di carico).
Riordinando l'equazione si ottiene:
W ˙e,m Q̇ e
V1
V2
 P diss
*
*
  u1P 1 v 1
gh1 −u 2P 2 v 2
gh2 −
=0 .
ṁ
ṁ
2
2

2
2
Infine si osserva che u iP i v i*=hi , quindi la relazione diventa:
˙ e  W˙ e , m 1 2
Q
1 2

 V 1gz 1 h1− V 2−gz 2−h2 − P diss=0 .
ṁ
ṁ
2
2
33. Legame temperatura-volume specifico nelle trasformazioni adiabatiche
di gas perfetti
Per la legge dei gas perfetti vale:
*
PV =mR T , che dividendo ambo i membri per la massa si può riscrivere come:
*
Pv=R T ossia:
*
P=
RT
. Ma per le trasformazioni adiabatiche vale:
v
k
k
PV =costante  Pv =costante che sostituendo diventa:
*
RT k
v =costante ossia:
v
Tv k−1=costante .
34. Legame temperatura-pressione nelle trasformazioni adiabatiche di gas
perfetti
Per le trasformazioni adiabatiche vale:
k
k
PV =costante  Pv =costante , e per la legge dei gas ideali:
*
v=
R T
. Sostituendo:
P
P
R* T k
Tk
1−k k
 =costante  P k =costante  P T =costante ed estraendo la radice k-esima:
P
P
P

1−k

k
T =costante .
35. Rendimento del ciclo Otto
Dalla definizione di ciclo Otto e considerate le seguenti ipotesi:
1. il fluido evolvente è il gas aria, considerato ideale e perfetto;
2. tutte le trasformazioni sono quasi-statiche;
3. c’è sempre il rinnovo del fluido;
4. la sorgente calda è un deposito di calore
si può tracciare un grafico P-V qualitativo delle trasformazioni come segue:
Per la definizione di rendimento e per l’idealità della macchina segue:
=
W
q
=1−
, e per l’idealità del fluido evolvente risulta:
Q
Q
*
q=mC v T 4−T 1  (considero solamente il valore assoluto) e
*
Q=mC v T 3−T 2 quindi si può riscrivere il rendimento come:
T4
−1
T 4−T 1
T1
=1−
=1−
.
T 3−T 2
T3
T 2  −1
T2
T 1
Poiché il fluido evolvente è un gas perfetto, nelle due trasformazioni adiabatiche per il punto 33 sarà:
e T 3 v k3 −1 =T 4 v k4 −1 , ma v 1=v 4 e v 3=v 2 da cui:
T 1 v k1 −1=T 2 v k−1
2
T 4 T3
=
. Questo significa che:
T1 T 2
=1−
T1
ma per il punto 33 vale anche:
T2
k−1
V
v
T 1 v1
= k−1 e per la definizione di rapporto volumetrico di compressione ( = PMI = 2 ):
T 2 v2
V PMS v 1
V PMI v 1 1 k−1
=
= = 
. In conclusione:
V PMS v 2 
OT =1−
1−k
.
35. Rendimento del ciclo Diesel
Dalla definizione di ciclo Diesel e considerate le seguenti ipotesi:
1. il fluido evolvente è il gas aria, considerato ideale e perfetto;
2. tutte le trasformazioni sono quasi-statiche;
3. c’è sempre il rinnovo del fluido;
4. la sorgente calda è un deposito di calore
si può tracciare un grafico P-V qualitativo delle trasformazioni come segue:
Per la definizione di rendimento e per l’idealità della macchina segue:
=
W
q
=1−
, e per l’idealità del fluido evolvente risulta:
Q
Q
q=mC *v T 4−T 1  (considero solamente il valore assoluto) e
*
Q=mC p T 3−T 2  quindi si può riscrivere il rendimento come:
T4
−1
T 4−T 1 
T1
=1−
=1−
.
k T 3−T 2 
T3
kT 2  −1
T2
T 1
Poiché il fluido evolvente è un gas perfetto, nelle due trasformazioni adiabatiche per il punto 33 sarà:
T 1 v k1 −1=T 2 v k2 −1
da cui:
k−1
T 1 v2
= 
T 2 v1
=
e per definizione di rapporto volumetrico di compressione, inoltre:
V PMI v 2
=
, quindi:
V PMS v 1
T 1 1 k−1
= 
.
T2 
Per definizione di rapporto di introduzione e dal momento che la trasformazione da 2 a 3 è isobara, vale
anche:
*
=
V FC v 3 R T 3 P 2
T3
= =
=
.
*
V PMS v 2
P3 R T 2 T 2
Siccome le trasformazioni tra 1 e 2 e tra 3 e 4 sono adiabatiche, per il punto 33 devono valere le
relazioni:
k −1
k−1
T 1 v 1 =T 2 v 2
e
k −1
. Dividendo la prima per la seconda si ottiene:
T 4 v k−1
4 =T 3 v 3
k −1
k−1
T 4 v4
T 3 v3
=
da cui:
k −1
T 1 v1
T 2 v k−1
2
k −1
k−1
v3 T 3
T 4 v4
T 3 v3
=
= =
quindi:
k −1
k−1 ma per quanto detto sopra
T 1 v1
T2 v2
v2 T 2
T4
k−1
k
= 1 = .
T1
Infine, sostituendo i tre risultati ottenuti (
T3
=
T2
T4
−1
T1
rendimento ( =1−
) si ottiene:
T3
kT 2  −1
T2
T 1
 D=1−

k−1
k
k
 −1
.
−1
T4
k
= ,
T1
T 1 1 k−1
= 
) all’espressione del
T2 
36. Rendimento del ciclo Joule-Bryton
Dalla definizione di ciclo Joule-Bryton e considerate le seguenti ipotesi:
1. il fluido evolvente è il gas aria, considerato ideale e perfetto;
2. tutte le trasformazioni sono quasi-statiche;
3. c’è sempre il rinnovo del fluido;
4. la sorgente calda è un deposito di calore
si può tracciare un grafico P-V qualitativo delle trasformazioni come segue:
Per la definizione di rendimento e per l’idealità della macchina segue:
=
W
q
=1−
, e per l’idealità del fluido evolvente risulta:
Q
Q
q=mC *p T 4 −T 1 (considero solamente il valore assoluto) e
Q=mC *p T 3−T 2  quindi si può riscrivere il rendimento come:
T4
−1
T 4−T 1
T1
=1−
=1−
.
T 3−T 2
T3
T 2  −1
T2
T 1
Poiché il fluido evolvente è un gas perfetto, nelle due trasformazioni adiabatiche per il punto 33 sarà:
T 1 v k1 −1=T 2 v k2 −1 e T 3 v k3 −1 =T 4 v k4 −1 , ma v 1=v 4 e v 3=v 2 da cui:
T 4 T3
=
.
T1 T 2
Per le stesse ragioni per il punto 34, si può anche scrivere:
1− k
T1 P
1− k
k
1
=T 2 P
1−k
k
2
T 1 P2 k
 = 1− k
T2
P1 k
Per la definizione di rapporto manometrico di compressione, inoltre:
=
P max P 2
=
quindi:
P min P 1
1−k
T1
= k .
T2
T4
−1
T1
Sostituendo i risultati ottenuti all’espressione del rendimento ( =1−
) si ottiene:
T3
kT 2  −1
T2
T 1
 JB=1−
1−k
k
.
37. Rendimento del ciclo Rankine
Dalla definizione di ciclo Rankine e considerate le seguenti ipotesi:
1. tutte le trasformazioni sono quasi-statiche;
2. c’è sempre il rinnovo del fluido;
3. la sorgente calda è un deposito di calore
si può tracciare un grafico P-V qualitativo delle trasformazioni come segue:
Per la definizione di rendimento e per l’idealità della macchina segue:
=
W
q
=1−
, e per il significato di entalpia (calore scambiato a pressione costante):
Q
Q
 R=1−
h 4−h1
.
h 3−h 2
38. Coefficient of Performance del ciclo frigorifero
Dalla definizione di ciclo frigorifero e considerate le seguenti ipotesi:
1. tutte le trasformazioni sono quasi-statiche;
2. c’è sempre il rinnovo del fluido;
3. la sorgente calda è un deposito di calore
si può tracciare un grafico P-V qualitativo delle trasformazioni come segue:
Per la definizione di COP:
COP=
q
, e per il significato di entalpia (calore scambiato a pressione costante) vale:
W
 F =1−
h1 −h 4
.
h 2−h 1
39. Legame umidità relativa-umidità assoluta
Per la definizione di aria umida, l’aria secca è una miscela di gas perfetti e il vapore acqueo è anch’esso
un gas perfetto. Pertanto si può scrivere:
P v V =m v Rv* T e
mv =
X=
Pv V
*
v
R T
*
P as V =mas Ras T ossia:
e mas =
mv
cioè
m as
P as V
. Per la definizione di umidità assoluta, inoltre:
*
Ras T
*
X=
Ras P v
*
=
R as P v
. Calcolando il rapporto
*
Rv  P tot −P v 
Pv
definizione di umidità relativa =
si ottiene infine:
P sat T 
X ≃0.622
*
Rv P as
 P sat T 
.
Ptot − P sat T 
R*as
*
Rv
e utilizzando la
40. Temperatura in un punto qualsiasi di un sistema che scambia calore
per conduzione (Equazione di Fourier)
Si consideri un volume infinitesimo V con un vertice nel punto di coordinate (x,y,z) di dimensioni ∆x,
∆y e ∆z, con coefficiente di conduttività termica costante k. In generale, deve valere il punto 6:
*
 U =mC V  T che può anche essere riscritto sotto forma di potenza:
* dT
˙U =mC V
.
dt
D’altra parte, la potenza interna del volume può essere pensata come somma di due contributi: la
potenza esterna entrante dalle sue facce e la potenza generata internamente al volume stesso. E’ quindi
lecito scrivere:
*
mC V
dT
= q˙in q gen
˙ .
dt
La potenza entrante, inoltre, non può che essere determinata dalla differenza della potenza in ingresso a
ciascuna faccia e la potenza in uscita alla faccia opposta (poiché si parla di trasmissione di calore per
conduzione). Si può dunque esprimere q˙in come:
q˙in = q̇ x −q x
˙ x  q˙y −q y
˙ y q˙z − q z
˙ z .
Nel caso più generale, q̇ sarà una funzione vettoriale di x, y e z, ed almeno per intervalli
sufficientemente piccoli, per lo sviluppo di Taylor, varrà:
q x
˙ x = q̇ x 
 q̇ x
 q˙x
 x come anche le analoghe:
 x ossia q˙x − q x
˙ x =−
x
x
q˙ y −q y
˙ y =−
 q˙ y
 q˙ z
 y e q˙z −q z
z .
˙ z =−
y
z
Riscrivendo q˙in con le relazioni sopra descritte si ottiene:
q˙in =−
 q˙x
 q̇ y
 q̇ z
 x−
 y−
z .
x
y
z
Per il Postulato di Fourier vale anche:
q̇ =−k  T che può essere riscritta sotto forma di potenza moltiplicando ambi i membri per una
superficie:
q̇=−k S  T .
''
Applicando il Postulato per calcolare le tre potenze entranti q˙x , q˙ y e q˙z si ottengono le seguenti
relazioni:
q˙x =−k  y  z
T
T
T
, q˙ y =−k  x  z
e q˙z =−k  x  y
.
x
y
z
Sostituendo quanto ricavato nell’espressione di q˙in si ottiene:
−k  y  z
q˙in =−
x
T

x
−k  x  z
 x−
y
T

y
−k  x  y
 y−
z
T

z
z
,
2
2
2
2
2
2
T
 T
 T
T T T
q˙in =k 2 V k 2 V k 2 V =kV  2  2  2  .
x
y
z
x
y
z
Infine, tramite la definizione di Laplaciano, si può riscrivere la relazione in forma compatta:
q˙in =kV  T .
Per quanto riguarda la potenza generata internamente, è sempre possibile scriverla in forma di potenza
volumetrica moltiplicata per il volume relativo:
'''
q gen
˙ =q gen
˙ V . Discorso analogo vale per la massa del volume: m=V .
Si può quindi riscrivere l’equazione della potenza interna enunciata precedentemente come:
*
 V CV
dT
'''
* dT
'''
=kV  T  q gen
=k  T q gen
.
˙ V  C V
˙
dt
dt
Detta diffusività termica la quantità =
Fourier:
'''
T
q ˙gen 1 dT
.
=
k
 dt
k
 CV
e riordinando i termini, si ottiene l’Equazione di
Fly UP