Esercizio 1 Un cilindro-pistone contiene allo stato di vapore surriscaldato 2 kg di refrigerante R134a alla pressione di 350 kPa e 100°C. Il cilindro viene raffreddato a pressione costante fino a che non raggiunge un titolo x=0,75. Calcolare la quantità di calore richiesta dal processo. Risoluzione: Si è a conoscenza sia della pressione che della temperatura del refrigerante R-134a allo stato iniziale, sia del suo titolo x allo stato finale. Quindi, inserendo codesti valori nel programma Catt2, si possono ottenere i dati mancanti per le risoluzione del problema. Type Temp Pressure Specific Internal Specific Specific Volume Energy Enthalpy Entropy C MPa m3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg/K 1, R-134a 100 0,35 0,08414 460,8 490,2 1,998 2, R-134a 5,028 0,35 0,04393 337,5 352,8 1,549 Quality Phase Superheated Vapor 0,75 Liquid Vapor Mixture Infatti, essendo il cilindro riscaldato a pressione costante,si è in presenza di una trasformazione isobara. Trasformazione il cui lavoro l (specifico) è facilmente calcolabile se si è a conoscenza dei valori iniziale e finale del volume (vedi tab ) 2 l12 = p dv p ( v2 – v1 ) 1 l12 = 350(kPa) ( 0,043943 – 0,08414 )(m3/kg)= -14,06 kJ/kg Mediante la tab ricavata da Catt2 si è a conoscenza anche dei valori iniziale e finale dell’energia interna specifica (u ) nel processo considerato e, quindi, della sua variazione ∆u : ∆u = u2 – u1 ∆u = 337,5 – 460,8 = - 123,3 kJ/kg Utilizzando la formulazione del primo principio della termodinamica l’unica incognita è proprio la quantità di calore richiesta dal processo : Q - L = ∆U Q = ∆U + L ( e ricordando di moltiplicare per i 2 kg di vapore surriscaldato perché le energie e il lavoro finora considerati erano specifici!…..) Q = 2 (-123,3 – 14,06) = - 274,72 kJ Esercizio 2 Un recipiente a pareti rigide di 10 litri contiene R-22 alla temperatura di -10°C e titolo x=0,8. Una batteria da 6 V eroga al refrigerante, attraverso una resistenza elettrica, una corrente di 10 A per dieci minuti. Alla fine del processo la temperatura del R-22 sale a 40°C. Calcolare la quantità di calore scambiata con l’esterno. Risoluzione : Essendo il recipiente a pareti rigide la trasformazione può essere considerata isocora. Ne segue che il lavoro generato dal processo assume un valore nullo : L = 0 . Inserendo nel prog Catt2 i dati di temperatura e titolo relativi allo stato iniziale (-10°C , 0,8) e temperatura e volume specifico del refrigerante dello stato finale, pari a quello iniziale, ( 40°C , 0.05242 m3/kg ), si ottengono i valori delle energie interne specifiche (u1 e u2). Type Specific Internal Specific Specific Temp Pressure Volume Energy Enthalpy Entropy C MPa m3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg/K 1, R-22 -10 0,3543 0,05242 184,9 203,5 0,7803 2, R-22 40 0,5348 0,05242 250,2 278,2 1,017 Quality Phase 0,8 Liquid Vapor Mixture Superheated Vapor Si calcola la massa (m) di R22 : Vspec = V/m………da cui…………m = V/ Vspec = 0,01(m3) / 0,05242(m3/kg) = 0,19 kg da cui la variazione di energia interna (ΔU) : ΔU = m ( u2 – u1 ) ΔU = 0,19 (kg) ( 250,2 – 184,9 )(kJ/kg) = 12,4 kJ Occorre ora considerare il lavoro della batteria (Lbatt). Lavoro che nella equazione del primo principio della termodinamica sarà presente con segno negativo, in quanto considerato ricevuto dal sistema. Lbatt = 6V * 10A * 600sec = 36 kJ Non rimane che inserire i valori numerici nell’equaz. : Q - Lbatt = ΔU ovvero Q = Lbatt + ΔU Q = 12.4 + (- 36) = - 23,6 kJ Il segno negativo di Q attesta che si tratta di una cessione di calore all’esterno Esercizio 3 Un sistema cilindro-pistone contiene 5 kg di H2O a 100°C e titolo x=0,20. Inizialmente il pistone, la cui massa è di 75 kg ed area di 24,5 cm², è appoggiato sull’anello di fermo come indica la figura. La pressione esterna è 100 kPa. Viene somministrato calore fino ad ottenere vapore saturo secco. Calcolare: 1. 2. 3. 4. il volume iniziale la pressione finale il lavoro scambiato con il mezzo il calore fornito Risoluzione: La pressione che l’ acqua genera sul pistone può essere considerata uguale alla pressione esterna più la pressione che il peso del pistone genera sulla sua stessa superficie : pesterna + ppistone = pH2O 100 kPa + (75kg) * 9,8m/s2)*10-3kN/N / 0,00245m2 = 406,1 kPa Si possono ora inserire nel prog Catt2 sia i valori di temperatura (100°C) che di titolo (x = 0,2) dell’acqua allo stato iniziale, sia quelli relativi a pressione (0,406122 MPa) e titolo x = 1 (vapore saturo secco) dello stato finale. Specific Internal Specific Specific Temp Pressure Volume Energy Enthalpy Entropy C MPa m3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg/K 1, 100 0,1013 0,3354 836,4 870,4 2,516 2, 144,2 0,4061 0,4559 2554 2739 6,891 Quality Phase 0,2 Liquid Vapor Mixture 1 Saturated Vapor Dalla tabella possono essere tratti i valori dei volumi specifici iniziale e finale e, considerando il processo isobaro, si può facilmente calcolare il lavoro generato mediante : l12 = 2 1 pdv = p (v2 – v1) l12 = 406,1 (0,4559 – 0,3354) = 48,9 kJ / kg L12 = 48,93 * 5 = 244,68 kJ Sempre dalla tabella si traggono i valori dell’energia interna specifica iniziale e finale per il calcolo della variazione interna dell’energia : Δu = u2 – u1 ΔU = 5 * (2554 – 836,4) = 8588 kJ Utilizzando il I° Principio si può ora calcolare il valore del calore fornito Q : Q – L = ΔU ………. Q = ΔU + L Q = 8588 + 244,68 = 8832,6 kJ Esercizio 4 Il cilindro di un motore da 200 cm3 contiene aria alla pressione di 90 kPa e 20°C. L’aria viene compressa secondo una politropica (quasi statica) del tipo pV1.25 fino a ridurre il volume ad 1/6 di quello iniziale. Calcolare: 1. la pressione e la temperatura a fine compressione 2. la quantità di calore scambiata con il mezzo Risoluzione : Essendo l’aria nel cilindro compressa mediante una politropica, si può scrivere tra lo stato iniziale e quello finale il seguente legame : p1V11.25 = p2V21.25…………da cui………. p2 = (V1 / V2)1.25 * p1 essendo inoltre V2 = 1/6 V1 = 33,333 cm3….. p2 = (200 / 33,333)1.25 * 90kPa = 845,1 kPa = 0,8451 MPa Si può calcolare anche il valore della temperatura finale T2 utilizzando l’equazione di stato dei gas perfetti : pV = nR*T…….da cui………(p1V1) / T1 = (p2V2) / T2 = nR* T2 = (p2V2T1) / (p1V1) = 458,8 K = 185,7°C Ora introducendo nel prog Catt2 i valori delle temperature e delle pressioni nei due stati si possono ottenere le rispettive energie interne e calcolare la variazione di energia: Temp Pressure C Specific Specific Internal Specific Specific Internal Entropy Enthalpy Energy Entropy Enthalpy Energy Reduced Reduced (Mass) (Mass) (Mass) (Mole) (Mole) (Mole) Pressure Volume MPa kJ/kg/K kJ/kg kJ/kg kJ/kmol/K kJ/kmol kJ/kmol 1, 20 0,09 6,876 293,6 209,4 199,2 8504 6067 1,028 190,2 2, 185,7 0,8451 6,686 461,2 329,5 193,7 1,34E+04 9543 4,979 61,46 Δu = u2 – u1 = 329,5 – 209,4 = 120,1 kJ/kg Mediante i valori iniziali e finali delle pressioni e dei volumi si può calcolare il valore del lavoro L : L12 = (p2V2 – p1V1) / (1 – n) L12 = (845,14 kPa* 33,333 cm3 * 10-6m3/cm3 – 200 * 90 * 10-6) / (1 – 1,25) = = - 40674 * 10-6 kJ= -40.7 J Per il calcolo della massa m di aria nel cilindro si utilizza ancora l’equazione di stato dei gas ideali. : ( ricordando che R* = 8.31 kJ/kmolK) , Maria= 28,97kg/kmol) m = (p V M) / (R*T) m = (90kPa * 200cm3 * 10-6m3/cm3) / (8.31kJ/kmolK/28.97kg/kmol * 293,16K) = = 214 * 10-6 kg Si può ora calcolare la quantità di calore scambiata con il mezzo : Q = m ( u2 – u1 ) + L Q = 214 * 10-6 * (120,1 – 0,04067) = - 0,015 kJ