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 30 L contiene 230 g di CH₄ a 15 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 230 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Legge dei gas idealiDifficile

Una quantità fissa di Ar passa da 250 kPa, 5 L, 10 °C a 750 kPa e 240 °C. Trova il nuovo volume V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 5 LT₁ = 10 °CP₂ = 750 kPaT₂ = 240 °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 = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Bilancio energeticoDifficile

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁ_c necessaria.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 110 °Ct: 15 → 40 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Macchine termiche e frigorifereMedia

Una macchina termica lavora tra un serbatoio caldo a 750 °C e un serbatoio freddo a 10 °C. Trova il massimo rendimento termico possibile η_max.

T_H = 750 °CT_L = 10 °C

η_max = %

6.Macchine termiche e frigorifereDifficile

Due macchine di Carnot lavorano in serie. La macchina A riceve calore da un serbatoio a 600 °C e cede calore a un serbatoio intermedio alla temperatura T_m. La macchina B assorbe tutto quel calore e cede calore a un serbatoio a 25 °C. Entrambe le macchine hanno lo stesso rendimento termico. Trova T_m in °C.

T_H = 600 °CT_L = 25 °C

T_m = °C

7.Cicli termodinamici a gasMedia

Un ciclo Diesel ideale ha un rapporto di compressione r = 16 e un rapporto di combustione r_c = v₃/v₂ = 2. All’inizio della compressione l’aria è a 310 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 = 16r_c = 2T₁ = 310 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 10. L’aria entra nel compressore a 290 K e nella turbina a 1300 K. Il compressore ha un rendimento isoentropico del 80% e la turbina del 85%. 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 = 1300 Kη_c = 80%η_t = 85%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluzioni

1.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 1145 kPa

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

Moli

n = m/M = 230/16,04 = 14,34 mol

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

Pressione

P = nRT/V = 14,34·8,314·288,1/0,03 = 1145 kPa

Risposta

P = 1145 kPa

2.Legge dei gas ideali

Risposta: V₂ = 3,02 L

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

Temperature assolute

T₁ = 283,1 K, T₂ = 513,1 K

Legge combinata dei gas

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(250/750)·(513,1/283,1) = 3,02 L

Risposta

V₂ = 3,02 L

3.Bilancio energetico

Risposta: t_out = 59,19 °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 = 1·2,44·(130 − 80) = 122 kW

Calore assorbito dall’acqua

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 122/(1·4,18) = 59,19 °C

Risposta

t_out = 59,19 °C

4.Bilancio energetico

Risposta: ṁ_c = 2,627 kg/s

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

Calore ceduto

Q_h = 2,5·2,44·(160 − 110) = 305 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Q_c = (1 − 0,1)·305 = 274,5 kW

Portata d’acqua

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 274,5/(4,18·25) = 2,627 kg/s

Risposta

ṁ_c = 2,627 kg/s

5.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: η_max = 72,33 %

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 = 750 + 273,15 = 1023 K

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

Rendimento di Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 283,1/1023 = 72,33 %

Risposta

η_max = 72,33 %

6.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: T_m = 237,1 °C

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

Temperature assolute

T_H = 600 + 273,15 = 873,1 K

T_L = 25 + 273,15 = 298,1 K

Rendimenti uguali

1 − T_m/T_H = 1 − T_L/T_m dà T_m² = T_H·T_L.

T_m = √(873,1·298,1) = 510,2 K = 237,1 °C

Risposta

T_m = 237,1 °C

7.Cicli termodinamici a gas

Risposta: T₃ = 1879 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 = 310·16^0,4 = 939,7 K

Introduzione di calore a pressione costante

T₃ = r_c·T₂ = 2·939,7 = 1879 K

Risposta

T₃ = 1879 K

8.Cicli termodinamici a gas

Risposta: w_net = 196,3 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

T_2s = 290·10^0,2857 = 559,9 K

T_4s = 1300/10^0,2857 = 673,3 K

Lavoro del compressore e della turbina

w_c = 1,005·(559,9 − 290)/0,8 = 339,1 kJ/kg

w_t = 0,85·1,005·(1300 − 673,3) = 535,3 kJ/kg

Lavoro netto

w_net = 535,3 − 339,1 = 196,3 kJ/kg

Risposta

w_net = 196,3 kJ/kg

Rapporto dei lavori (back-work ratio): w_c/w_t = 63,34%.

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