TERMODINAMICA

TERMODINAMICA
•
TERMODINAMICA
LA TERMODINAMICA DESCRIVE LE TRASFORMAZIONI SUBITE DA UN
SISTEMA IN SEGUITO AD UN PROCESSO DI SCAMBIO DI ENERGIA CON
ALTRI SISTEMI OPPURE CON L’AMBIENTE ESTERNO.
• TERMOCHIMICA
LA TERMOCHIMICA È UNA PARTE DELLA TERMODINAMICA CHE STUDIA GLI
SCAMBI DI CALORE CHE AVVENGONO DURANTE UNA TRASFORMAZIONE
CHIMICA
È DEFINITA DA:
•
STATO INIZIALE E FINALE DEI REAGENTI E DEI PRODOTTI.
•
DAL LORO STATO DI AGGREGAZIONE.
•
DALLA LORO MASSA (O MOLE).
•
DAL MODO CON CUI VIENE CONDOTTA LA REAZIONE.
•
LAVORO
IL LAVORO È L’ENERGIA TRASFERITA DALL’AMBIENTE AL SISTEMA (O
VICEVERSA) A SEGUITO DI UNO SPOSTAMENTO O DI UNA MODIFICA DEL
SISTEMA.
• SE IL SEGNO È NEGATIVO ALLORA IL LAVORO È COMPIUTO
DALL’AMBIENTE SUL SISTEMA (-)
• SE IL SEGNO È POSITIVO ALLORA IL LAVORO È COMPIUTO DAL SISTEMA
SULL’AMBIENTE (+)
• CALORE
•IL CALORE È IL TRASFERIMENTO DI ENERGIA TERMICA TRA IL SISTEMA E
L’AMBIENTE GRAZIE ALLA DIFFERENZA DI TEMPERATURA
QUANTITÀ DI CALORE = ENERGIA TRASFERITA DA UN CORPO PIÙ CALDO
AD UNO PIÙ FREDDO, A SEGUITO DELLA ΔT, SPONTANEAMENTE OVVERO
SENZA CHE SIA FATTO DEL LAVORO.
Ambiente
• ENERGIA INTERNA
L’ENERGIA INTERNA È L’ENERGIA IMMAGAZZINATA DALLE PARTICELLE
COSTITUENTI IL CORPO. QUESTA FORMA DI ENERGIA PUÒ ESSERE
INFLUENZATA DIRETTAMENTE DA UN TRASFERIMENTO DI CALORE.
•
1° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
L’ENERGIA NON SI CREA NÉ SI DISTRUGGE, PUÒ SOLO CAMBIARE
FORMA. LA VARIAZIONE DI ENERGIA DI UN CORPO DEVE ESSERE
COMPENSATA DA UN TRASFERIMENTO DI CALORE, O DAL
COMPIMENTO DI LAVORO.
•
2° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
IL CALORE FLUISCE NATURALMENTE DA UNA SORGENTE PIÙ CALDA AD
UNA PIÙ FREDDA, MENTRE PER AVERE IL FLUSSO INVERSO È
NECESSARIO REALIZZARE DELLE MACCHINE. INFATTI PER ‘REALIZZARE IL
FREDDO’, OSSIA SOTTRARRE CALORE DA UNA SORGENTE PIÙ FREDDA
PER CEDERLO AD UNA PIÙ CALDA, È NECESSARIA UNA MACCHINA
FRIGORIFERA CHE REALIZZI L’OPERAZIONE.
• ENTROPIA
L’ENTROPIA È LA TENDENZA DI UN SISTEMA VERSO L’INUTILIZZABILITÀ
MECCANICA DELL’ENERGIA.
LA SI PUÒ DEFINIRE ANCHE COME LA GRADUALE DEGENERAZIONE DI UN
SISTEMA VERSO IL MASSIMO DISORDINE
• ENTALPIA
L’ENTALPIA È LA SOMMA TRA L’ENERGIA POTENZIALE CONTENUTA NEI
LEGAMI CHIMICI DI UNA SOSTANZA E L'ENERGIA DETERMINATA DALLA
PRESSIONE E DAL VOLUME DEL SISTEMA STESSO
• PRINCIPI DEI GAS
LE QUATTRO LEGGI DEI GAS PERFETTI SONO:
• LEGGE DI BOYLE (LEGGE DELL'ISOTERMA): VALE QUANDO
LA TEMPERATURA DI UN GAS RESTA COSTANTE.
• LEGGE DI CHARLES (LEGGE DELL'ISOBARA): VALE QUANDO
LA PRESSIONE DI UN GAS VIENE MANTENUTA COSTANTE.
• LEGGE DI GAY-LUSSAC (LEGGE DELL'ISOCORA): VALE QUANDO
IL VOLUME DI UN GAS VIENE MANTENUTO COSTANTE.
• EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI: METTE IN RELAZIONE TUTTE E TRE
LE VARIABILI DI STATO IN UNA UNICA EQUAZIONE.
• Ciclo termodinamico
• CIRCUITO FRIGORIFERO
COME FUNZIONA?
IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN FRIGORIFERO SI BASA
SUL FENOMENO DELL’ESPANSIONE DI UN FLUIDO: IL FLUIDO,
NELL’ATTRAVERSARE UNA STROZZATURA SI RAFFREDDA.
• PRINCIPIO TEORICO
IL CICLO FRIGORIFERO NON È ALTRO CHE IL CICLO DI STIRLING PERCORSO ALL’INVERSO. COSÌ
POSSIAMO AVERE UN ASSORBIMENTO DI CALORE PER ‘ GENERARE IL FREDDO ’.
SI AVRÀ COSÌ UN TRASFERIMENTO DI CALORE DA UNA SORGENTE A TEMPERATURA T1 AD UNA
SORGENTE DI TEMPERATURA MAGGIORE T2 GRAZIE AGLI EFFETTI DEL LAVORO FATTO SUL
SISTEMA.
L’EFFICIENZA DI UN CICLO FRIGORIFERO È CARATTERIZZATA DAL COEFFICIENTE DI
PRESTAZIONE (COP) O (EER), OVVERO IL RAPPORTO TRA QUANTITÀ DI CALORE ASSORBITO
DALLA SORGENTE FREDDA E IL LAVORO NECESSARIO PER SVOLGERE TALE OPERAZIONE.
COP=
𝑸𝟏
𝐋
•
IL COMPRESSORE COMPRIME IL GAS: LAVORO
•
CONDENSATORE: DISPERDE CALORE NELL’AMBIENTE RAFFREDDANDOSI
PRIMA DI ENTRARE NELLA VALVOLA DI ESPANSIONE.
•
IL FLUIDO ENTRA NELLA VALVOLA DI ESPANSIONE AD UNA PRESSIONE
ALTA E NE FUORIESCE AD UNA PRESSIONE POCO SUPERIORE A QUELLA
ATMOSFERICA
•
NELL’ESPANSIONE IL GAS SI RAFFREDDA
•
IL FLUIDO ‘FREDDO’ ENTRA NELL’EVAPORATORE DOVE EVAPORA
ASSORBENDO CALORE DAL SISTEMA DA RAFFREDDARE.
•
RAGGIUNGE IL COMPRESSORE A BASSA PRESSIONE. IL CICLO RIPARTE
• DIAGRAMMA ENTALPICO
IL MODO PIÙ CORRETTO PER ESAMINARE IL COMPORTAMENTO DI UN
FLUIDO FRIGORIGENO È QUELLO DI UTILIZZARE UN DIAGRAMMA
ENTALPICO. LA SCALA ORIZZONTALE È RISERVATA PER I VALORI DI
ENTALPIA (IN KJ/KG), INVECE LA SCALA VERTICALE È OCCUPATA DAI
VALORI DELLA PRESSIONE (IN BAR)
• CIRCUITO DI RISCALDAMENTO
I COMBUSTIBILI SI POSSONO DEFINIRE COME SOSTANZE CAPACI DI
PRODURRE ENERGIA TERMICA A SEGUITO DI UNA REAZIONE
CHIMICA DETTA COMBUSTIONE
• COS’È LA COMBUSTIONE?
LA COMBUSTIONE È L’OSSIDAZIONE RAPIDA DELLE SOSTANZE COMBUSTIBILI AD
OPERA DI UNA SOSTANZA COMBURENTE, OVVERO L’OSSIGENO DELL’ARIA
LA COMBUSTIONE COMPLETA DEL METANO, CH4, PRODUCE ANIDRIDE
CARBONICA E ACQUA, MENTRE CON L’OSSIGENO POSSONO AVVENIRE
NUMEROSE REAZIONI CONDUCENDO A DIVERSI PRODOTTI, TRA I QUALI, OLTRE AL
MONOSSIDO DI CARBONIO, ANCHE METANOLO.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CALORE SENSIBILE
E
CALORE LATENTE
• CALORE SENSIBILE
IL CALORE SENSIBILE È IL CALORE CHE, QUANDO VIENE CEDUTO (O
ASSORBITO), COMPORTA UNA DIMINUZIONE (O AUMENTO) DELLA
TEMPERATURA.
IL CALORE ASSORBITO (O CEDUTO) HA COME CONSEGUENZA UN AUMENTO (O
RIDUZIONE) DELLO STATO DI AGITAZIONE DELLE MOLECOLE.
NON HA MAI COME EFFETTO UNA TRANSIZIONE DI FASE.
• CALORE LATENTE
IL CALORE LATENTE È IL CALORE CHE VIENE CEDUTO O ASSORBITO DURANTE
UNA TRANSIZIONE DI FASE.
AL TRASFERIMENTO DI CALORE NON È ASSOCIATA UNA VARIAZIONE DI
TEMPERATURA. IL CALORE ASSORBITO (O CEDUTO) HA COME EFFETTO QUELLO
DI ROMPERE (O RICOSTITUIRE) I LEGAMI TRA LE MOLECOLE, E
CONSEGUENTEMENTE MODIFICARE LA FASE DELLA MATERIA
• CICLO DI RISCALDAMENTO A COMBUSTIONE
NEGLI AMBIENTI RISCALDATI, PER EFFETTO DELLA MAGGIORE TEMPERATURA INTERNA
RISPETTO A QUELLA ESTERNA, VI È UNA CONTINUA DISPERSIONE DI ENERGIA DOVUTA
ALLA CONDUZIONE ATTRAVERSO LE PARETI.
L’IMPIANTO DI RISCALDAMENTO HA LA FUNZIONE DI GENERARE ED IMMETTERE NEGLI
AMBIENTI RISCALDATI IL CALORE CHE VIENE DISPERSO, IN MODO DA MANTENERE
COSTANTE LA TEMPERATURA INTERNA.
• COMPONENTI PRINCIPALI
•
IL GENERATORE DI CALORE (DOVE VIENE RISCALDATO UN FLUIDO O GAS)
•
LE TUBAZIONI DI DISTRIBUZIONE (LIQUIDO TERMOVETTORE)
•
ELEMENTI RISCALDANTI (RADIATORI, CONVETTORI, SISTEMI RADIANTI (IMPIANTO A
PAVIMENTO) ECC…)
• ALCUNI TIPI DI IMPIANTI
•
IMPIANTO A CONVENZIONE (FANCOIL, IMPIANTO A VENTILAZIONE)
•
IMPIANTI RADIANTI (IMPIANTI A PAVIMENTO, PANNELLI RADIANTI)
•
IMPIANTI A POMPA DI CALORE (CLIMATIZZATORE EER)
•
IMPIANTO GEOTERMICO (POMPA DI CALORE CON EVAPORATORE NEL SOTTOSUOLO)
•
IMPIANTI AD ENERGIA SOLARE (PANNELLI SOLARI)
• SPIEGAZIONE
1. ATTRAVERSO IL TUBO DI COLLEGAMENTO IL GAS-METANO ARRIVA AL SISTEMA DI CONTROLLO
DOVE VIENE MODULATA LA SUA PRESSIONE
2. SUCCESSIVAMENTE RAGGIUNGE LA RAMPA UGELLI DOVE VIENE EMANATO
3. IL GAS-METANO VIENE INIETTATO DAGLI UGELLI NEI VENTURI DEL BRUCIATORE. PER IL
FENOMENO DEL VENTURIO VIENE ANCHE ASPIRATA L’ARIA COMBURENTE. MISCELA RISULTATNTE
OSSIGENO + METANO
4. GRAZIE AD UNA SCINTILLA POSTA SULLA SOMMITÀ DEL BRUCIATORE LA MISCELA SI INFIAMMA E IL
CALORE PRODOTTO VIENE POI ASSORBITO DALLO SCAMBIATORE PRIMARIO CHE A SUA VOLTA
CEDE LA CALORIA AL FLUIDO TERMOVETTORE CHE LO PERCORRE INTERNAMENTE.
5. IL FLUIDO TERMOVETTORE VIENE TRASPORTATO ATTRAVERSO TUTTI I SISTEMI RADIANTI CHE
IRRAGGIANO IL CALORE NELL’AMBIENTE INTERNO. IL CIRCOLATORE PERMETTE AL FLUIDO
TERMOVETTORE DI CONTINUARE A CIRCOLARE E A RIENTRARE NELLO SCAMBIATORE PER
ASSORBIRE NUOVA ENERGIA
scambiatore
Tubi termovettori
bruciatore
Rampa ugelli
circolatore
Sistema di
controllo
Tubo del gas
DIFFERENZA TRA CALDAIA TRADIZIONALE E CALDAIA A
CONDENSAZIONE