Macchine termiche e frigorifere: esercizi con soluzioni passo passo

Detto anche: rendimento di Carnot · pompa di calore · secondo principio della termodinamica

Esercizi gratuiti su Macchine termiche e frigorifere con schemi, suggerimenti e soluzioni svolte complete. Valori nuovi ogni volta, su tre livelli: primo principio di un ciclo, limite di Carnot, frigoriferi e pompe di calore.

Esercizio gratuitoFacile
casaaria esternaHPQ̇H​ = 17 kWQ̇L​ = ?Ẇ

Una pompa di calore con un coefficiente di prestazione di 2,9 fornisce 17 kW di calore a una casa. Trova la potenza termica Q̇L che preleva dall’aria esterna.

COPHP = 2,9Q̇H = 17 kW
kW
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Su cosa ti eserciti

  1. Facileprimo principio di un ciclo
  2. Medialimite di Carnot
  3. Difficilefrigoriferi e pompe di calore

Formule chiave

Rendimento
η = W/QH = 1 − QC/QH
Rendimento di Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP del frigorifero
COPR = QC/W
COP della pompa di calore
COPHP = QH/W = COPR + 1
Bilancio energetico
QH = W + QC

Impara Macchine termiche e frigorifere da zero

1Che cos’è una macchina termica

Una macchina termica trasforma calore in lavoro. Un motore d’auto, una turbina a vapore in una centrale elettrica e un motore a reazione sono tutti macchine termiche.

Ogni macchina termica funziona allo stesso modo. Prende calore QH da qualcosa di caldo, ne trasforma una parte in lavoro W, e scarica il resto QC in qualcosa di freddo.

TH​TC​EQH​QC​W

I luoghi caldo e freddo si chiamano serbatoi termici: una fiamma, una caldaia, l’aria esterna, un fiume. Sono così grandi che le loro temperature non cambiano.

Una macchina funziona in un ciclo: dopo ogni giro è di nuovo nello stesso stato. Quindi l’energia non può accumularsi al suo interno. Ciò che entra deve uscire:

QH = W + QC
Autoverifica Una macchina assorbe 100 kJ di calore per ciclo e produce 40 kJ di lavoro. Quanto calore cede?
  1. 140 kJ
  2. 2,5 kJ
  3. 40 kJ
  4. 60 kJ

Risposta: 60 kJ. Energia in ingresso uguale a energia in uscita: QC = QH − W = 100 − 40 = 60 kJ. Sommarli (140 kJ) conta il lavoro come un ingresso.

2Rendimento e limite di Carnot

Il rendimento termico è la quota del calore in ingresso che diventa lavoro:

η = W / QH = 1 − QC / QH

Nessuna macchina può trasformare tutto il suo calore in lavoro. C’è sempre del calore da cedere. Questo è il secondo principio della termodinamica.

La migliore macchina possibile tra due temperature è la macchina di Carnot ideale. Il suo rendimento dipende solo dalle temperature dei serbatoi, in kelvin:

ηmax = 1 − TC / TH

Converti sempre prima in kelvin: T(K) = T(°C) + 273,15. Con i °C la formula dà risultati senza senso.

Una macchina reale ha sempre η < ηmax. Una macchina che dichiara più del limite di Carnot è impossibile.

Autoverifica Qual è il massimo rendimento possibile di una macchina che lavora tra 327 °C e 27 °C?
  1. 100%
  2. 50%
  3. 8,3%
  4. 91,7%

Risposta: 50%. In kelvin: 600,15 K e 300,15 K, quindi ηmax = 1 − 300,15/600,15 = 50%. Inserire i valori in °C nella formula dà 1 − 27/327 = 91,7%, che è sbagliato.

3Frigoriferi e pompe di calore

Un frigorifero fa funzionare una macchina al contrario. Entra il lavoro W, e il calore viene pompato dal lato freddo al lato caldo.

TH​TC​RQH​QC​W

Una pompa di calore è la stessa macchina, usata per riscaldare: prende calore dall’aria fredda esterna e lo porta in una casa calda. Il bilancio energetico è ancora QH = W + QC.

Invece di un rendimento, usiamo il coefficiente di prestazione (COP): ciò che vuoi, diviso per il lavoro che paghi. Di solito è maggiore di 1.

COPR = QC / W COPHP = QH / W = COPR + 1

I limiti di Carnot, ancora con le temperature in kelvin:

COPR,max = TC / (TH − TC) COPHP,max = TH / (TH − TC)
Autoverifica Una pompa di calore fornisce 6 kW di calore a una casa consumando 2 kW di elettricità. Quanto calore prende dall’aria esterna?
  1. 12 kW
  2. 3 kW
  3. 4 kW
  4. 8 kW

Risposta: 4 kW. QC = QH − W = 6 − 2 = 4 kW. Il suo COP è 6/2 = 3, quindi 3 kW è il COP, non un flusso di calore.

4Il metodo passo dopo passo

  1. Disegna il dispositivo tra i suoi due serbatoi e traccia le frecce per QH, QC e W. Decidi se è una macchina termica o un frigorifero / pompa di calore.
  2. Scrivi il bilancio energetico QH = W + QC. Vale per ogni dispositivo, ideale o no. Le potenze in kW funzionano come le quantità in kJ.
  3. Se sono date le temperature, convertile in kelvin.
  4. Usa la misura giusta: η = W/QH per una macchina termica, COPR = QC/W per un frigorifero, COPHP = QH/W per una pompa di calore.
  5. Per il miglior dispositivo possibile, usa la formula di Carnot. Poi il calore o il lavoro incognito segue dal bilancio energetico.

“Il massimo lavoro”, “il massimo rendimento possibile”, “la potenza minima in ingresso” e “reversibile” rimandano tutti al limite di Carnot.

5Un esempio svolto

Segui ogni passaggio. Prova a prevedere il successivo prima di aprirlo.

Esempio svolto

Una macchina termica lavora tra un serbatoio caldo a 500 °C e un serbatoio freddo a 25 °C. Assorbe 3000 kJ di calore per ciclo. Trova il massimo lavoro che potrebbe produrre. Un inventore dichiara 2000 kJ per ciclo: è possibile?

1

Disegna la macchina

500 °C25 °CE3000 kJQC​W = ?

Il massimo lavoro viene da una macchina di Carnot ideale tra gli stessi due serbatoi.

2

Converti in kelvin

TH = 500 + 273,15 = 773,15 K
TC = 25 + 273,15 = 298,15 K
3

Il rendimento di Carnot

ηmax = 1 − 298,15 / 773,15 = 1 − 0,3856 = 0,614

Al massimo, il 61,4% del calore può diventare lavoro.

4

Il massimo lavoro

Wmax = ηmax · QH = 0,6144 · 3000 = 1843 kJ
5

Controlla il risultato

La macchina ideale cede QC = 3000 · 298,15/773,15 = 1157 kJ. Poi W + QC = 1843 + 1157 = 3000 kJ, che corrisponde al calore in ingresso.

6

Giudica l’affermazione

2000 kJ è più dei 1843 kJ che anche una macchina perfetta potrebbe fornire. L’affermazione viola il secondo principio, quindi è impossibile.

Risposta

Wmax ≈ 1843 kJ per ciclo (ηmax ≈ 61,4%), quindi un’affermazione di 2000 kJ è impossibile.

6Errori comuni

  • Inserire temperature in °C nelle formule di Carnot. Usa sempre i kelvin.
  • Confondere i due COP. Un frigorifero conta QC (calore sottratto), una pompa di calore conta QH (calore fornito).
  • Usare il rendimento di Carnot per una macchina reale quando sono dati i calori. Allora η = W/QH dai numeri effettivi.
  • Dimenticare che anche il lavoro viene ceduto come calore da un frigorifero: QH = QC + W, quindi la cucina riceve più calore di quello che il frigorifero sottrae.
  • Scrivere un rendimento come 61,4 invece di 0,614 in un calcolo.
Autoverifica Qual è il massimo COP possibile di un frigorifero che mantiene l’interno a 0 °C in una cucina a 27 °C?
  1. 0,91
  2. 0
  3. 10,1
  4. 11,1

Risposta: 10,1. COPR,max = TC/(TH − TC) = 273,15/27 = 10,1. Mettere TH al numeratore dà il valore della pompa di calore, 11,1, e usare direttamente 0 °C dà 0.

7Come sono fatte le domande d’esame

  • Facile: il primo principio per un ciclo. Da due tra QH, W e QC, trova il terzo o il rendimento. Le varianti usano centrali elettriche (MW), frigoriferi e pompe di calore con un COP dato.
  • Medio: il limite di Carnot. Trova ηmax o Wmax dalle temperature dei serbatoi. Altre chiedono un rendimento di secondo principio (η/ηmax), la temperatura del serbatoio freddo di una macchina reversibile, o il calore ceduto da un frigorifero reversibile.
  • Difficile: frigoriferi e pompe di calore al limite di Carnot: trova COPmax o la potenza minima in ingresso. Altre concatenano due dispositivi, o chiedono l’entropia generata da una macchina reale.

Per la potenza minima in ingresso: prima COPmax dalle temperature, poi Wmin = QH/COPHP,max oppure QC/COPR,max.

Per l’entropia generata per ciclo: Sgen = QC/TC − QH/TH, che deve essere zero o positiva.

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Esempi svolti

Esempio 1Facile
casaaria esternaHPQ̇H​ = 4 kWQ̇L​ = ?Ẇ

Una pompa di calore con un coefficiente di prestazione di 5 fornisce 4 kW di calore a una casa. Trova la potenza termica Q̇L che preleva dall’aria esterna.

COPHP = 5Q̇H = 4 kW

Calcola Q̇L (kW)

Mostra i suggerimenti
  1. L’effetto utile di una pompa di calore è il calore fornito: COPHP = Q̇H/Ẇ.
  2. Bilancio energetico sul ciclo: Q̇L = Q̇H − Ẇ.
  3. Ẇ = 0,8 kW.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Potenza assorbita

Ẇ = Q̇H/COP = 4/5 = 0,8 kW

Calore prelevato dall’esterno

Q̇L = Q̇H − Ẇ = 4 − 0,8 = 3,2 kW

Risposta

Q̇L = 3,2 kW
Esempio 2Media
TH​ = 625 °CTL​ = ?EQH​ = 3100 kJQL​ = 977 kJW

Una macchina termica reversibile (di Carnot) assorbe 3100 kJ di calore da un serbatoio a 625 °C e ne cede 977 kJ per ciclo. Trova la temperatura TL del serbatoio freddo in °C.

TH = 625 °CQH = 3100 kJQL = 977 kJ

Calcola TL (°C)

Mostra i suggerimenti
  1. Per un ciclo reversibile i calori stanno nel rapporto delle temperature assolute: QL/QH = TL/TH.
  2. Usa temperature assolute: K = °C + 273,15.
  3. TH = 898,1 K.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Temperatura assoluta della sorgente

TH = 625 + 273,15 = 898,1 K

Rapporto dei calori nel ciclo reversibile

TL = TH·QL/QH = 898,1·977/3100 = 283,1 K = 9,912 °C

Risposta

TL = 9,912 °C
Esempio 3Difficile
TH​ = 20 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 14 kWQ̇L​Ẇ = ?

Una pompa di calore mantiene una casa a 20 °C mentre fuori ci sono 2 °C, fornendo 14 kW di calore alla casa. Trova la potenza minima in ingresso Ẇmin.

TH = 20 °CTL = 2 °CQ̇H = 14 kW

Calcola Ẇmin (kW)

Mostra i suggerimenti
  1. Il COP di una pompa di calore è il calore fornito diviso il lavoro in ingresso: COP = QH/W. Il limite reversibile è TH/(TH − TL).
  2. Usa temperature assolute: K = °C + 273,15.
  3. COP = 16,29.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Limiti del secondo principio: nessun ciclo che lavora tra serbatoi alle temperature assolute TH e TL può superare il ciclo reversibile (di Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) e COPHP,max = TH/(TH − TL). L’energia si conserva sempre: QH = W + QL.

Temperature assolute

TH = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K

Miglior COP possibile

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 293,1/(293,1 − 275,1) = 16,29

Potenza minima

Il lavoro minimo serve a una macchina reversibile, che ha il COP più alto.

Ẇmin = Q̇H/COP = 14/16,29 = 0,8596 kW

Risposta

Ẇmin = 0,8596 kW

Domande e risposte

Macchine termiche e frigorifere: di cosa si tratta?

Una macchina termica trasforma calore in lavoro. Un motore d’auto, una turbina a vapore in una centrale elettrica e un motore a reazione sono tutti macchine termiche.

Ogni macchina termica funziona allo stesso modo. Prende calore QH da qualcosa di caldo, ne trasforma una parte in lavoro W, e scarica il resto QC in qualcosa di freddo.

Macchine termiche e frigorifere: come si risolvono gli esercizi passo per passo?

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Macchine termiche e frigorifere: quali sono gli errori più comuni?
  • COP = Q<sub>H</sub>/W dà il lavoro; il calore prelevato dall’esterno è poi Q<sub>L</sub> = QH − W.
  • Questo è il lavoro in ingresso. Il calore prelevato dall’esterno è Q<sub>L</sub> = Q<sub>H</sub> − W.
  • Per un ciclo reversibile Q<sub>L</sub>/Q<sub>H</sub> = T<sub>L</sub>/T<sub>H</sub> vale solo con le temperature assolute. Converti prima in kelvin, poi di nuovo in °C.
Macchine termiche e frigorifere: che cosa si esercita?
  • Facile: primo principio di un ciclo
  • Media: limite di Carnot
  • Difficile: frigoriferi e pompe di calore

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