FISICA AMBIENTALE 1 Lezioni 5 – 6 Le macchine termiche Tipi di macchine termiche (ideali) : TH= Tamb TC= Tamb Macchina T. convenzionale Macchina termica “fredda” TH= Tamb TC= Tamb Pompa di calore Frigorifero Frigorifero: TH= Tamb Win è lavoro sul sistema per estrarre calore da un serbatoio a bassa T e trasferirlo ad uno a T ambiente. Coefficiente di rendimento Calore estratto COP Energia richiesta LA REFRIGERAZIONE Punto critico Vapore saturo Liquido saturo strozzatura Diagramma pH del ciclo di un frigorifero COOLING ACHIEVED COP = = WORK INPUT H1-H4 H2-H1 Grafico delle pressioni rispetto alle T dei punti di ebollizione per alcuni fluidi Non tutti cadono nel range accettabile con –10 °C< T < 60°C a p ~100 kPa (p atmosferica) Paragone tra due sistemi di refrigerazione: compressione del vapore e assorbimento Condenser VAPOUR COMPRESSION: 1.Compressor ABSORPTION: 1.Absorb vapour in liquid while removing heat 2.Elevate pressure of liquid with pump 3.Release vapour by appling heat High-pressure vapour Espansion value Low-pressure vapour Evaporator Pompa di calore Win è lavoro sul sistema per estrarre calore da un serbatoio a Tambiente e trasferirlo ad uno a temperatura più alta. TC= Tamb Coefficiente di rendimento COP QH = QC +Win ; calore trasferito Win lavoro per trasferire il calore Efficienza di una macchina termica reale Una macchina reale compie molti cicli/s. Se internamente la macchina opera con C: Eliminiamo C e H con le equazioni del trasporto. Si ottiene: con Il lavoro eseguito diventa: Tale lavoro è nullo per = 0 e per = C. Per a, TC, TH costanti si trova il massimo di W rispetto a : Da cui l’efficienza di una macchina termica reale: < C Second law efficiency: Definizione più generale di efficienza in un processo di trasferimento di calore: = output energetico input energetico Bisogna guardare lo scopo e non solo la macchina = output di calore / lavoro utile output max per ogni sistema con lo stesso input Massimo permesso dalla termodinamica sempre < 1 Riscaldamento domestico Calore trasmesso alla casa variazione di H per la combustione del gas Second law efficiency: Lavoro utile per una pompa di calore Massimo lavoro che può essere fornito da un sistema che si porti ad uno stato finale in equilibrio con l’atmosfera. EXERGIA: energia convertibile in lavoro Il lavoro meccanico è 100% exergia, le altre forme di energia sono convertibili in lavoro solo in una certa percentuale: Energia elettrica: 99% exergia Energia meccanica: 80% exergia Calore: grado di convertibilità variabile dipendente dalla temperatura. Possiamo riscrivere la second law efficiency : T0, p0 U V S Uf Vf Sf Temperatura dell’atmosfera Scambio di entropia sistema+ambiente “Lavoro perso” EXERGIA PERSA NELLA COMBUSTIONE Combustibile + Aria T0, p0, V1 Combustione adiabatica Tc, pc, Vc + Prodotti di combustione T I prodotti di combustione si raffreddano TT0 e compiono lavoro: = C Exergia totale prima della combustione Energia persa Il lavoro perso diventa: T0 = 300 Tc = 2240 K Exergia persa nella combustione