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 20 L contiene 240 g di CH₄ a 40 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 240 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Legge dei gas idealiDifficile

Trova la densità ρ di He a 550 kPa e 170 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 4,003 g/molP = 550 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Bilancio energeticoMedia

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

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 90 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Bilancio energeticoDifficile

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% 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: 160 → 70 °Ct: 20 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Macchine termiche e frigorifereMedia

Una macchina termica lavora tra un serbatoio caldo a 600 °C e un serbatoio freddo a 25 °C. Assorbe 3100 kJ di calore. Trova il massimo lavoro W_max che potrebbe produrre.

T_H = 600 °CT_L = 25 °CQ_H = 3100 kJ

W_max = kJ

6.Macchine termiche e frigorifereDifficile

Una macchina termica assorbe 4000 kJ di calore da un serbatoio a 550 °C, produce 2000 kJ di lavoro e cede il resto a un serbatoio a 35 °C, per ciclo. Trova l’entropia totale generata S_gen per ciclo.

T_H = 550 °CT_L = 35 °CQ_H = 4000 kJW = 2000 kJ

S_gen = kJ/K

7.Cicli termodinamici a gasMedia

Un ciclo Diesel ideale ha un rapporto di compressione r = 19 e un rapporto di combustione r_c = v₃/v₂ = 3. 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 suo rendimento termico η in percentuale.

r = 19r_c = 3k = 1,4

η = %

8.Cicli termodinamici a gasDifficile

Un impianto con turbina a gas funziona secondo un ciclo Brayton con rapporto di compressione 8. L’aria entra nel compressore a 300 K e nella turbina a 1400 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 = 8T₁ = 300 KT₃ = 1400 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluzioni

1.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 1948 kPa

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

Moli

n = m/M = 240/16,04 = 14,96 mol

T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Pressione

P = nRT/V = 14,96·8,314·313,1/0,02 = 1948 kPa

Risposta

P = 1948 kPa

2.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 0,5976 kg/m³

Densità di un gas ideale: ρ = PM/(RT).

Riordina la legge dei gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 170 + 273,15 = 443,1 K

Densità

ρ = 550·4,003/(8,314·443,1) = 0,5976 kg/m³

Risposta

ρ = 0,5976 kg/m³

3.Bilancio energetico

Risposta: t_out = 37,92 °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 = 0,5·3,6·(120 − 90) = 54 kW

Calore assorbito dall’acqua

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 54/(1·4,18) = 37,92 °C

Risposta

t_out = 37,92 °C

4.Bilancio energetico

Risposta: ṁ_c = 7,906 kg/s

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

Calore ceduto

Q_h = 3·3,6·(160 − 70) = 972 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Q_c = (1 − 0,15)·972 = 826,2 kW

Portata d’acqua

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 826,2/(4,18·25) = 7,906 kg/s

Risposta

ṁ_c = 7,906 kg/s

5.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: W_max = 2041 kJ

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 = 600 + 273,15 = 873,1 K

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

Rendimento di Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 298,1/873,1 = 65,85 %

Lavoro massimo

W_max = η_max·Q_H = 0,6585·3100 = 2041 kJ

Risposta

W_max = 2041 kJ

6.Macchine termiche e frigorifere

Risposta: S_gen = 1,631 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 = 4000 − 2000 = 2000 kJ

Temperature assolute

T_H = 550 + 273,15 = 823,1 K

T_L = 35 + 273,15 = 308,1 K

Variazioni di entropia dei serbatoi

ΔS_H = −4000/823,1 = −4,859 kJ/K

ΔS_L = 2000/308,1 = 6,49 kJ/K

S_gen = 6,49 − 4,859 = 1,631 kJ/K

Risposta

S_gen = 1,631 kJ/K

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

7.Cicli termodinamici a gas

Risposta: η = 59,79 %

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)).

Termine del rapporto di combustione

(3^1,4 − 1)/(1,4·(3 − 1)) = 1,306

Rendimento termico

η = 1 − 0,308·1,306 = 59,79%

Risposta

η = 59,79%

8.Cicli termodinamici a gas

Risposta: w_net = 385,6 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 = 300·8^0,2857 = 543,4 K

T₄ = 1400/8^0,2857 = 772,9 K

Lavoro del compressore e della turbina

w_c = 1,005·(543,4 − 300) = 244,7 kJ/kg

w_t = 1,005·(1400 − 772,9) = 630,3 kJ/kg

Lavoro netto

w_net = 630,3 − 244,7 = 385,6 kJ/kg

Risposta

w_net = 385,6 kJ/kg

Rapporto dei lavori (back-work ratio): w_c/w_t = 38,82%.

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