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

Quale volume V occupano 30 g di CO₂ a 350 kPa e 45 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 30 gM = 44,01 g/molP = 350 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Legge dei gas idealiDifficile

Una quantità fissa di O₂ passa da 100 kPa, 2 L, 35 °C a 450 kPa e 150 °C. Trova il nuovo volume V₂.

P₁ = 100 kPaV₁ = 2 LT₁ = 35 °CP₂ = 450 kPaT₂ = 150 °C

V₂ = L

3.Bilancio energeticoMedia

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

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 100 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Bilancio energeticoDifficile

Il olio leggero 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 = 1,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 90 °Ct: 15 → 75 °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 700 °C e un serbatoio freddo a 10 °C. Trova il massimo rendimento termico possibile η_max.

T_H = 700 °CT_L = 10 °C

η_max = %

6.Macchine termiche e frigorifereDifficile

Una macchina termica assorbe 4100 kJ di calore da un serbatoio a 700 °C, produce 1435 kJ di lavoro e cede il resto a un serbatoio a 10 °C, per ciclo. Trova l’entropia totale generata S_gen per ciclo.

T_H = 700 °CT_L = 10 °CQ_H = 4100 kJW = 1435 kJ

S_gen = kJ/K

7.Cicli termodinamici a gasMedia

Un ciclo Diesel ideale ha un rapporto di compressione r = 18 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 il calore fornito q_in per kilogrammo d’aria, in kJ/kg.

r = 18r_c = 2,5T₁ = 305 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Cicli termodinamici a gasDifficile

Un impianto con turbina a gas funziona secondo un ciclo Brayton con rapporto di compressione 10. L’aria entra nel compressore a 290 K e nella turbina a 1100 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 = 10T₁ = 290 KT₃ = 1100 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluzioni

1.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 5,152 L

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

Moli

n = 30/44,01 = 0,6817 mol

T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Volume

V = nRT/P = 0,6817·8,314·318,1/350 = 5,152 L

Risposta

V = 5,152 L

2.Legge dei gas ideali

Risposta: V₂ = 0,6103 L

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

Temperature assolute

T₁ = 308,1 K, T₂ = 423,1 K

Legge combinata dei gas

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(100/450)·(423,1/308,1) = 0,6103 L

Risposta

V₂ = 0,6103 L

3.Bilancio energetico

Risposta: t_out = 33,44 °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 = 2·2,1·(170 − 100) = 294 kW

Calore assorbito dall’acqua

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 294/(3·4,18) = 33,44 °C

Risposta

t_out = 33,44 °C

4.Bilancio energetico

Risposta: ṁ_c = 0,9545 kg/s

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

Calore ceduto

Q_h = 1,5·2,1·(170 − 90) = 252 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Q_c = (1 − 0,05)·252 = 239,4 kW

Portata d’acqua

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 239,4/(4,18·60) = 0,9545 kg/s

Risposta

ṁ_c = 0,9545 kg/s

5.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: η_max = 70,9 %

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 = 700 + 273,15 = 973,1 K

T_L = 10 + 273,15 = 283,1 K

Rendimento di Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 283,1/973,1 = 70,9 %

Risposta

η_max = 70,9 %

6.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: S_gen = 5,199 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 = 4100 − 1435 = 2665 kJ

Temperature assolute

T_H = 700 + 273,15 = 973,1 K

T_L = 10 + 273,15 = 283,1 K

Variazioni di entropia dei serbatoi

ΔS_H = −4100/973,1 = −4,213 kJ/K

ΔS_L = 2665/283,1 = 9,412 kJ/K

S_gen = 9,412 − 4,213 = 5,199 kJ/K

Risposta

S_gen = 5,199 kJ/K

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

7.Cicli termodinamici a gas

Risposta: q_in = 1461 kJ/kg

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)).

Temperature

T₂ = 305·18^0,4 = 969,2 K

T₃ = 2,5·969,2 = 2423 K

Calore fornito a pressione costante

q_in = 1,005·(2423 − 969,2) = 1461 kJ/kg

Risposta

q_in = 1461 kJ/kg

8.Cicli termodinamici a gas

Risposta: w_net = 261,7 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 = 290·10^0,2857 = 559,9 K

T₄ = 1100/10^0,2857 = 569,7 K

Lavoro del compressore e della turbina

w_c = 1,005·(559,9 − 290) = 271,3 kJ/kg

w_t = 1,005·(1100 − 569,7) = 532,9 kJ/kg

Lavoro netto

w_net = 532,9 − 271,3 = 261,7 kJ/kg

Risposta

w_net = 261,7 kJ/kg

Rapporto dei lavori (back-work ratio): w_c/w_t = 50,9%.

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