Termodinamica applicata: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali: pV = nRT
Costante dei gas: R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Moli: n = m/M
Temperatura: T[K] = T[°C] + 273,15

Bilancio energetico

Calore sensibile: Q = ṁ·c_p·ΔT
Calore latente: Q = ṁ·h_fg
Miscelazione: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Acqua: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Macchine termiche e frigorifere

Rendimento: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Rendimento di Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP del frigorifero: COP_R = Q_C/W
COP della pompa di calore: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Bilancio energetico: Q_H = W + Q_C

Cicli termodinamici a gas

Isoentropica, rapporto dei volumi: T₂/T₁ = r^k−1
Isoentropica, rapporto delle pressioni: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Rendimento Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Rendimento Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Rendimento Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Calore fornito: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Lavoro netto Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Rendimenti isoentropici: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Aria fredda: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Esercizi

1.Legge dei gas idealiMedia

Un serbatoio di 10 L contiene 420 g di CO₂ a 75 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 420 gM = 44,01 g/molV = 10 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Legge dei gas idealiDifficile

Una quantità fissa di CH₄ passa da 200 kPa, 10 L, 25 °C a 750 kPa e 60 °C. Trova il nuovo volume V₂.

P₁ = 200 kPaV₁ = 10 LT₁ = 25 °CP₂ = 750 kPaT₂ = 60 °C

V₂ = L

3.Bilancio energeticoMedia

Il etanolo caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua t_out.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 130 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Bilancio energeticoDifficile

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁ_c necessaria.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 80 °Ct: 20 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Macchine termiche e frigorifereMedia

Una macchina termica lavora tra un serbatoio caldo a 450 °C e un serbatoio freddo a 15 °C. Trova il massimo rendimento termico possibile η_max.

T_H = 450 °CT_L = 15 °C

η_max = %

6.Macchine termiche e frigorifereDifficile

Una macchina termica assorbe 2800 kJ di calore da un serbatoio a 350 °C, produce 1008 kJ di lavoro e cede il resto a un serbatoio a 30 °C, per ciclo. Trova l’entropia totale generata S_gen per ciclo.

T_H = 350 °CT_L = 30 °CQ_H = 2800 kJW = 1008 kJ

S_gen = kJ/K

7.Cicli termodinamici a gasMedia

Un ciclo Diesel ideale ha un rapporto di compressione r = 22 e un rapporto di combustione r_c = v₃/v₂ = 2,5. All’inizio della compressione l’aria è a 305 K. Usa le ipotesi dell’aria standard fredda: l’aria è un gas ideale con calori specifici costanti, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) e c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Trova la temperatura T₃ alla fine dell’introduzione di calore, in K.

r = 22r_c = 2,5T₁ = 305 Kk = 1,4

T₃ = K

8.Cicli termodinamici a gasDifficile

Un impianto con turbina a gas funziona secondo un ciclo Brayton con rapporto di compressione 16. L’aria entra nel compressore a 295 K e nella turbina a 1300 K. Entrambe le macchine sono isoentropiche. Usa le ipotesi dell’aria standard fredda: l’aria è un gas ideale con calori specifici costanti, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) e c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Trova il lavoro netto prodotto w_net per kilogrammo d’aria, in kJ/kg.

r_p = 16T₁ = 295 KT₃ = 1300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluzioni

1.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 2762 kPa

Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.

Moli

n = m/M = 420/44,01 = 9,543 mol

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Pressione

P = nRT/V = 9,543·8,314·348,1/0,01 = 2762 kPa

Risposta

P = 2762 kPa

2.Legge dei gas ideali

Risposta: V₂ = 2,98 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Temperature assolute

T₁ = 298,1 K, T₂ = 333,1 K

Legge combinata dei gas

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(200/750)·(333,1/298,1) = 2,98 L

Risposta

V₂ = 2,98 L

3.Bilancio energetico

Risposta: t_out = 61,7 °C

Bilancio energetico dello scambiatore: senza perdite, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 3·2,44·(170 − 130) = 292,8 kW

Calore assorbito dall’acqua

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 292,8/(1,5·4,18) = 61,7 °C

Risposta

t_out = 61,7 °C

4.Bilancio energetico

Risposta: ṁ_c = 2,104 kg/s

Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.

Calore ceduto

Q_h = 3·3,6·(140 − 80) = 648 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Q_c = (1 − 0,05)·648 = 615,6 kW

Portata d’acqua

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 615,6/(4,18·70) = 2,104 kg/s

Risposta

ṁ_c = 2,104 kg/s

5.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: η_max = 60,15 %

Limiti del secondo principio: nessun ciclo che lavora tra serbatoi alle temperature assolute T_H e T_L può superare il ciclo reversibile (di Carnot): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) e COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). L’energia si conserva sempre: Q_H = W + Q_L.

Temperature assolute

T_H = 450 + 273,15 = 723,1 K

T_L = 15 + 273,15 = 288,1 K

Rendimento di Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 288,1/723,1 = 60,15 %

Risposta

η_max = 60,15 %

6.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: S_gen = 1,418 kJ/K

Generazione di entropia: su un ciclo completo il fluido di lavoro non ha variazione netta di entropia. Il serbatoio caldo perde Q_H/T_H e quello freddo guadagna Q_L/T_L. La loro somma è l’entropia generata, che è nulla per un ciclo reversibile e positiva per ogni ciclo reale.

Calore ceduto

Q_L = Q_H − W = 2800 − 1008 = 1792 kJ

Temperature assolute

T_H = 350 + 273,15 = 623,1 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Variazioni di entropia dei serbatoi

ΔS_H = −2800/623,1 = −4,493 kJ/K

ΔS_L = 1792/303,1 = 5,911 kJ/K

S_gen = 5,911 − 4,493 = 1,418 kJ/K

Risposta

S_gen = 1,418 kJ/K

S_gen > 0, quindi la macchina è possibile ma irreversibile.

7.Cicli termodinamici a gas

Risposta: T₃ = 2625 K

Ciclo Diesel (motore ad accensione per compressione): 1→2 compressione isoentropica, 2→3 introduzione di calore a pressione costante, 3→4 espansione isoentropica, 4→1 cessione di calore a volume costante. Con rapporto di compressione r = v₁/v₂ e rapporto di combustione r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) e η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Fine della compressione

T₂ = 305·22^0,4 = 1050 K

Introduzione di calore a pressione costante

T₃ = r_c·T₂ = 2,5·1050 = 2625 K

Risposta

T₃ = 2625 K

8.Cicli termodinamici a gas

Risposta: w_net = 356,6 kJ/kg

Ciclo Brayton (turbina a gas): 1→2 compressione isoentropica, 2→3 introduzione di calore a pressione costante, 3→4 espansione isoentropica in turbina, 4→1 cessione di calore a pressione costante. Con rapporto di compressione r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k e η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Lavoro netto w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Con i rendimenti isoentropici, il compressore richiede w_s/η_c e la turbina fornisce η_t·w_s.

Temperature isoentropiche

T₂ = 295·16^0,2857 = 651,4 K

T₄ = 1300/16^0,2857 = 588,7 K

Lavoro del compressore e della turbina

w_c = 1,005·(651,4 − 295) = 358,2 kJ/kg

w_t = 1,005·(1300 − 588,7) = 714,8 kJ/kg

Lavoro netto

w_net = 714,8 − 358,2 = 356,6 kJ/kg

Risposta

w_net = 356,6 kJ/kg

Rapporto dei lavori (back-work ratio): w_c/w_t = 50,11%.

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