LE MACCHINE TERMICHE - De Pinedo

I.I.S. “DE PINEDO – COLONNA”
RELAZIONE DI LABORATORIO
A.S. 2016/2017
LE MACCHINE TERMICHE
Osservazione sperimentale del funzionamento del motore ad aria calda e macchina a vapore.
PARTE TEORICA:
• SISTEMA TERMODINAMICO: spazio realmente o idealmente separato dall'ambiente esterno
(“universo”) mediante una superficie (“confine”) che può essere reale o virtuale, rigida o deformabile, permeabile
o impermeabile al calore, in cui avvengono processi che permettono trasformazioni interne (nella densità, nella
pressione, nella temperatura..) e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno.
• TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA: processo durante il quale, mediante scambi di calore
e lavoro, un sistema passa da uno stato iniziale A ad uno stato finale B; ogni stato intermedio
rappresenta uno stato di equilibrio, in cui le sue “coordinate termodinamiche” (es. pressione, volume,
temperatura) non subiscono variazioni col passare del tempo. Le principali trasformazioni
termodinamiche, dette fondamentali, sono le seguenti:
A.
B.
C.
D.
trasformazioni isobare - pressione costante;
trasformazioni isocore - volume costante;
trasformazioni isoterme - temperatura costante;
trasformazioni adiabatiche - senza scambio di calore con l'ambiente.
e nel piano di Clapeyron (diagramma pressione – volume) sono descritte da un arco di curva:
Una trasformazione termodinamica può essere rappresentata con un arco di curva, soltanto se si svolge in
maniera “quasi statica”.
• TRASFORMAZIONE QUASI-STATICA: avviene in modo estremamente lento, tale che il sistema
passa dallo stato iniziale a quello finale attraverso una successione infinita di stati di equilibrio. In
particolare, in ogni istante le variabili P-V- T hanno lo stesso valore in tutti i punti del gas che subisce
la trasformazione Una trasformazione quasi-statica è irrealizzabile nella pratica.
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• TRASFORMAZIONE CICLICA: lo stato finale del sistema coincide con quello iniziale. Una
trasformazione ciclica è rappresentata nel diagramma (p - V) da una curva chiusa (detta ciclo).
• IL LAVORO compiuto in una trasformazione che porta un sistema da uno stato iniziale A ad uno
finale B, dipende non solo dallo stato iniziale e da quello finale, ma anche dalla trasformazione seguita.
Nel diagramma (p-V) il lavoro compiuto é rappresentato dall’area sottesa dalla trasformazione.
Poiché durante una trasformazione ciclica (lo stato finale coincide con quello iniziale) esiste una fase di
espansione ed una di compressione del gas, tale che:
➢ Espansione V > 0 lavoro positivo - è il sistema a fornire lavoro all'ambiente;
➢ Compressione V <0 lavoro negativo -è l'ambiente esterno a compiere lavoro sul
sistema;
allora il lavoro è rappresentato, nel piano (p - V), dall’area delimitata dalle linee che costituiscono il ciclo
ed è positivo, se questo è percorso in senso orario, negativo se tale ciclo è percorso in verso antiorario.
• PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: durante una trasformazione, la variazione
dell’energia interna di un sistema è data dalla differenza fra calore assorbito(Q) e lavoro compiuto (L)
ΔU = Q - L
In applicazione di tale principio, si ha che:
a) nelle trasformazioni isocore (V costante), poiché V = 0 si ha L = 0 e quindi U = Q;
b) nelle trasformazioni isobare (p costante), si ha U = Q – L;
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c) nelle trasformazioni isoterme (t costante) la variazione dell’energia interna del gas ΔU=0 per cui
L=Q (ciò significa che in un’espansione il calore assorbito Q>0 si trasforma completamente in
lavoro L>0 ed in una compressione il lavoro compiuto sul gas L<0 viene ceduto all’ambiente sotto
forma di calore Q<0).
d) nelle trasformazioni adiabatiche (senza scambi calore), poiché Q = 0 si ha che U = –L e pertanto
se L > 0 allora U < 0 (il gas si raffredda – espansione -) e se L < 0 invece U > 0 (il gas si riscalda
– compressione -);
e) Nelle trasformazioni cicliche, poiché lo stato iniziale coincide con quello finale, la variazione
dell’energia interna del gas è nulla ΔU=0 per cui Q = L (ossia il sistema compie un lavoro uguale
al calore assorbito).
•
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: esistono 2 formulazioni equivalenti:
➢ Enunciato di Kelvin: è impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia
quello di assorbire una quantità di calore da una unica sorgente e trasformarla completamente in
lavoro meccanico (in pratica, non esiste la macchina termica perfetta in grado di convertire in lavoro
tutto il calore estratto da una sola sorgente, ma solo dispositivi che devono funzionare scambiando
calore con almeno due sorgenti);
➢ Enunciato di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la
trasmissione di calore da un corpo a temperatura più bassa ad uno a temperatura più alta (non esiste il
frigorifero perfetto). Il calore fluisce spontaneamente solo dai corpi caldi a quelli freddi e non
viceversa.
• MACCHINA TERMICA: dispositivo ciclico che assorbe energia sotto forma di calore da una
sorgente calda, ne converte una parte in lavoro cedendo il calore rimanente ad una sorgente a
temperatura più bassa. Ogni macchina termica contiene un fluido di lavoro che subisce una sequenza di
trasformazioni, passando attraverso una serie di processi termodinamici - talvolta detti tempi - che
formano un ciclo chiuso (lavora su cicli chiusi per potersi ripetere all’infinito). Ad ogni ciclo vengono
sempre ripercorse le stesse trasformazioni, che riportano il gas allo stato iniziale.
Concettualmente, il suo funzionamento si può così schematizzare:
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1) il gas assorbe calore (Qassorbito) dalla sorgente calda (Tc);
2) la macchina compie lavoro meccanico (L);
3) cede una quantità di calore (Qceduto)alla sorgente fredda (Tf) a temperatura minore di Tc per poi
ritornare nelle condizioni iniziali. Da qui il ciclo si ripete.
Poiché la macchina termica compie trasformazioni cicliche, la variazione di energia interna ΔU è nulla e
il lavoro utile L (o lavoro compiuto) è uguale al calore scambiato con l’ambiente esterno: L = Qscambiato,
ma siccome il calore scambiato è Qscambiato=Qassorbito – Qceduto si ha che L= Qassorbito – Qceduto.
• RENDIMENTO TERMICO(: si definisce come il rapporto tra il lavoro
compiuto dal motore (energia ottenuta) ed il calore assorbito dalla sorgente calda
(energia spesa), ad ogni ciclo.
η= lavoro utile
_ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
calore assorbito
=
L
Q assorbito
___ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______
da cui
η = Q assorbito - Q ceduto
_ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __
Q assorbito
= 1 - Q ceduto
Q assorbito
_ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __
Il rendimento si può pensare come il rapporto tra ciò che si ottiene e ciò che si spende ed è un numero
sempre <1(ovviamente moltiplicando per 100 si ottiene il valore in percentuale); il valore di 1 (o 100%) si
otterrebbe solo se Q ceduto =0 cioè se la macchina non cedesse energia alla sorgente fredda. In pratica una
macchina termica con rendimento unitario dovrebbe convertire tutta l’energia assorbita dalla sorgente calda
in lavoro meccanico. Fatto che negherebbe il primo principio della termodinamica..
• CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE TERMICHE: si suddividono in
a) macchine a combustione esterna; in esse la produzione di energia termica necessaria a riscaldare
il fluido che compie il lavoro, proviene da una caldaia esterna al motore (macchine a vapore,
turbine);
b) macchine a combustione interna; in esse la produzione dell’energia termica avviene all’interno
del motore stesso. Il fluido che espandendosi compie lavoro è costituito dai gas prodotti dalla stessa
combustione (motori a scoppio, motori a iniezione).
• BREVE DESCRIZIONE DEL FUNZIONAMENTO DELLE MACCHINE TERMICHE
PIU’ COMUNI:
➢ Macchina a vapore: il cuore della macchina è la caldaia dove il fluido (in questo caso l’acqua) viene
scaldato e portato ad ebollizione. Il vapore è fatto defluire in un cilindro, dove la pressione si trasforma
in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, spinge un pistone che trasmette il moto all’esterno della
macchina: se il moto necessario è rettilineo, allora viene propagato ad una serie di manovelle, altrimenti
una biella trasforma il moto alternato in circolare. Il gas, dopo aver spostato il pistone, viene fatto
uscire dal cilindro attraverso l’apertura di una valvola e ritrasformato in fluido. Infine, grazie ad una
pompa, il fluido viene immesso nuovamente nella caldaia, completando il ciclo. Il rendimento di una
di queste macchine è molto basso, all’incirca del 15%.
Da un punto di vista termodinamico, il ciclo realizzato dalle macchine a vapore prende il nome di ciclo
di Rankine ed è composto da due trasformazioni isobare, un’adiabatica e un’isocora:
•
•
•
•
AB: trasformazione del liquido in vapore;
BC: espansione del gas nel cilindro e spostamento del pistone che produce lavoro utile;
CD: condensazione del vapore in acqua;
DA: incremento di pressione causato dalla pompa che permette al fluido di ritornare nella caldaia.
➢ Turbina a vapore: il calore prodotto dal bruciatore riscalda l’acqua della caldaia trasformandola in
vapore ad alta pressione. Questo vapore viene diretto contro le pale della turbina determinandone la
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rotazione. Il vapore uscito dalla turbina è a bassa pressione e viene ritrasformato in acqua nel
condensatore; ritornato poi alla caldaia, riprende il ciclo. Il rendimento della turbina a vapore è
dell’ordine del 45%.
➢
Il motore a scoppio: brevettato dal tedesco Nikolaus Otto, consiste di una camera cilindrica(camera
di combustione) in cui può scorrere un pistone; essa è munita di una candela e di due valvole: una per far
entrare la miscela di aria e benzina, l’altra per lasciar usciere i gas prodotti dalla combustione. La
candela è formata da due elettrodi tra i quali può scoccare una scintilla. Nella prima fase di
funzionamento del ciclo, quella di aspirazione, il pistone si abbassa e nel cilindro entra attraverso la
prima valvola la miscela aria-benzina. Nella seconda fase, di compressione, il pistone si abbassa e
comprime la miscela. Nella terza fase, di accensione-scoppio, scocca la scintilla che fa esplodere la miscela
generando i gas che, ad alta pressione, spingono in basso il pistone compiendo lavoro. Nella quarta
fase, di scarico, il pistone si rialza ed elimina i gas dalla seconda valvola. Per i motori a scoppio il
rendimento è dell’ordine del 25%.
Da un punto di vista termodinamico, il ciclo realizzato dai motori a scoppio a quattro tempi prende il nome
di ciclo Otto ed è così rappresentato:
Il ciclo è composto da due trasformazioni adiabatiche (in blu) e due isocore (in rosso). La prima fase (in verde)
OA corrisponde all’aspirazione della miscela aria-benzina. La successiva adiabatica AB corrisponde invece
alla fase di compressione, che culmina con l’accensione della candela che causa un repentino aumento della
pressione (trasformazione isocora BC). Il gas si espande diabaticamente nella trasformazione CD e nelle
ultime due DA e AO, vengono espulsi i gas combusti.
➢ Il motore a iniezione o Diesel: (dall’ingegnere tedesco Rudolf Diesel che lo brevettò) è molto simile
al motore a scoppio; differisce da esso nel fatto che le prime due fasi aspirano e comprimono
solamente aria facendo raggiungere a quest’ultima un’elevata temperatura. A questo punto viene
iniettato il combustibile ridotto in minutissime goccioline (polverizzato) che a contatto con l’aria calda
si incendiano generando così i gas che determinano la dilatazione compiendo lavoro. I vantaggi del
motore a iniezione consistono nella combustione completa del carburante (che non scoppia ma brucia
lentamente, in quanto manca la fase di accensione elettrica) e nella possibilità di utilizzare combustibile
di qualità inferiore rispetto alla normale benzina (nafta e gasolio) che quindi è meno costoso. Tutte
queste differenze, unite al fatto che il fluido compresso è composto da sola aria (molto più facile da
comprimere rispetto alla miscela aria-benzina), contribuiscono ad aumentare il suo rendimento, che
può arrivare intorno al 40%,
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Da un punto di vista termodinamico, il ciclo Diesel è composto da due trasformazioni adiabatiche, un’isobara
e un’isocora. La trasformazione OA, rappresenta l’aspirazione dell’aria a pressione ambientale, che verrà poi
compressa nella successiva adiabatica AB. La trasformazione isobara BC identifica, invece, la fase di
combustione del gasolio, nella quale il sistema assorbe calore, che verrà ceduto nella fase di espulsione dei
gas combusti (DAO), dopo che la combustione ha causato un’espansione adiabatica della miscela (CD).
➢ Il motore Stirling: o ad aria calda, è una macchina termica a combustione esterna (il calore viene
trasmesso al fluido di lavoro attraverso uno scambiatore) e funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas
come fluido termodinamico (solitamente aria o azoto). Quando è raggiunta una sufficiente differenza
di temperatura tra il suo punto caldo e quello freddo, si innesca un andamento ciclico
(opportunamente avviata all'inizio), normalmente trasformato in moto alternato da pistoni. Il
funzionamento perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura,
somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo. Un elemento innovatore di Stirling
rispetto ai preesistenti motori ad aria calda, è il rigeneratore, ossia uno scambiatore di calore
interposto nel flusso alternato del fluido tra punto caldo e punto freddo che, riducendo la quantità di
calore scambiato con la sorgente, a parità di lavoro prodotto aumenta l'efficienza del ciclo. Esso
consiste normalmente in un condotto riempito di materiale con una elevata superficie (per es. un
sottile filo metallico), ove catturare una parte significativa del calore contenuto nel gas caldo nella fase
del ciclo in cui si sposta dal punto caldo verso il refrigeratore. Quando il gas refrigerato di ritorno
attraversa il rigeneratore, assorbe il calore precedentemente ceduto, ritornando al punto caldo
preriscaldato. Il risparmio corrispondente di calore assorbito aumenta necessariamente l'efficienza del
motore.
Il ciclo ha inizio con una compressione isoterma (AB) in cui il pistone superiore si trova nella parte alta
del cilindro mentre il pistone inferiore, muovendosi verso l’alto, produce una compressione dell’aria.
Questa, essendo a contatto con le pareti raffreddate dall’acqua, si comprime isotermicamente cedendo
calore. Nella seconda fase (BC - trasformazione isocora), il pistone superiore si muove verso il basso
consentendo il passaggio dell’aria dalla parte inferiore del cilindro alla parte superiore riscaldata.
Successivamente (CD) il pistone inferiore scende verso il basso mentre il pistone superiore resta fermo e
l’aria, assorbendo calore dalla resistenza elettrica, si espande isotermicamente. Infine, nella quarta fase, il
pistone superiore torna verso l’alto mentre il pistone inferiore è fermo (trasformazione isocora) e l’aria,
essendo nuovamente a contatto con le pareti raffreddate del cilindro, si raffredda ritornando alla
temperatura iniziale.
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IN LABORATORIO:
Durante l’attività svolta in laboratorio, abbiamo potuto osservare e capire il funzionamento di due motori
termici: quello ad aria calda di Stirling - a combustione esterna – e quello a vapore - a combustione
interna.
DESCRIZIONE PRIMA PROVA
Per questo esperimento, il motore termico utilizzato è composto essenzialmente da un cilindro di vetro
(Fig.1) resistente al calore, suddiviso in due zone ben distinte La parte inferiore ( in cui la temperatura -T1 di funzionamento è quella minima) è circondata da un intercapedine di raffreddamento, attraverso il quale
scorre dell’acqua proveniente da due tubicini in gomma trasparenti collegati da un estremo ai rubinetti
presenti nel laboratorio, dall’altro agli opportuni attacchi collocati nel corpo centrale del cilindro(Fig.2-3). La
parte superiore ( che opera alla temperatura -T2- massima) costituisce la zona calda. Sulla regione
superiore del cilindro è collocata una resistenza elettrica, (Fig.4) che si riscalda per il passaggio di una corrente
generata da un alimentatore (Fig.5) ad essa collegato attraverso dei cavetti elettrici (Fig.6); questa resistenza
elettrica fornisce l’energia termica necessaria al funzionamento della macchina.
All’interno del cilindro scorrono due pistoni: il pistone inferiore (Fig.7) (pistone di lavoro) comprime e ad
espande periodicamente l’aria all’interno del cilindro, mentre, il pistone superiore (Fig.8) (pistone di
spostamento) ha la funzione di trasferire, attraverso un foro in esso praticato, l’aria dalla parte superiore
del cilindro alla parte inferiore e viceversa.
Inoltre, all’interno del foro del pistone è collocato del rame (Fig.9), che permette di prelevare il calore dall’aria
calda che lo attraversa provenendo dall’alto e di cederlo all’aria fredda che, invece, fluisce dal basso; in
pratica funziona da rigeneratore di calore.
Del dispositivo faceva parte anche un manometro (Fig.10) con indicatore a “specchio” (collegato al motore
attraverso un tubicino in gomma trasparente) in grado di indicare le variazioni di pressione durante il ciclo
di funzionamento ed un’asticella metallica mobile (Fig.11) collegata al cilindro inferiore attraverso un filo, che
permetteva di rilevare le variazioni di volume.
Dopo aver scaldato la resistenza (e di conseguenza anche l’aria all'interno della parte superiore del cilindro),
il motore è stato avviato manualmente attraverso il volano (Fig.12) (parte fondamentale del sistema,
necessario per stabilizzare la velocità di rotazione) e di fornire l’energia per le successive compressioni.
Raggiunta una opportuna differenza di temperatura tra la parte calda e quella fredda, il motore è entrato in
funzione, cominciando a compiere cicli completi, raggiungendo dopo poco tempo, una situazione di
stabilità, riconoscibile dal costante numero di giri compiuti dal motore.
Il funzionamento del motore ad aria calda è stato anche confermato attraverso un laser (Fig.13) puntato
sull’indicatore a specchio del manometro (Fig.14), grazie al quale abbiamo potuto osservare che durante il
funzionamento del dispositivo, veniva proiettata sulla lavagna (sulla quale era stato preventivamente
disegnato il diagramma p-V) una luce che ripercorreva precisamente le quattro fasi descritte nel ciclo di
Stirling.
Infine, come ulteriore prova di laboratorio, è stato osservato che diminuendo l’entità dell’energia fornita al
motore, si riduceva anche il numero di giri del motore e la conseguenza di questa variazione era
riscontrabile anche dalla proiezione della luce del laser sulla lavagna, che pur seguendo sempre la forma del
ciclo di Stirling, lo faceva percorrendo un ciclo di area più piccola.
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IMMAGINI DI LABORATORIO
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 5
Fig. 9
Fig. 3
Fig. 6
Fig. 10
Fig. 4
Fig. 7
Fig. 11
Fig. 12
Fig. 8
Fig. 13
Fig. 14
Foto dell’intero dispositivo
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SCHEMA
1 pistone inferiore (di lavoro)
2 pistone superiore (di spostamento)
3 parte superiore del cilindro (zona non raffreddata)
4 intercapedine per raffreddamento
5 – 6 attacchi per tubicini in gomma
7 filo di rame (rigeneratore di calore)
8 resistenza elettrica
9 volano
10 organi di rotazione
11 manometro
DESCRIZIONE SECONDA PROVA
Nel poco tempo a disposizione rimasto, come secondo esperimento di laboratorio abbiamo osservato il
funzionamento di una macchina a vapore che segue il ciclo di Rankine
Dopo aver immesso dell’acqua nella caldaia, sono stati accesi alcuni cubetti di combustibile,
successivamente inseriti nell’apposito spazio predisposto sotto la caldaia stessa. Poi, dopo aver atteso il
tempo necessario che l’acqua scaldata fosse portata all’ebollizione, è stato dato un impulso manuale al
volano (collegato al pistone attraverso una biella), che ha consentito al motore di entrare in funzione,
cominciando a compiere cicli completi (senza più bisogno di aiuti esterni).
In pratica, l’acqua contenuta nella caldaia viene scaldata e portata
all’ ebollizione; il vapore è fatto defluire in un cilindro, dove la
pressione si trasforma in lavoro meccanico. Il vapore, infatti,
spinge un pistone e attraverso una biella il moto alternato viene
trasformato in moto circolare. Il gas, dopo aver spostato il
pistone, viene fatto uscire dal cilindro attraverso l’apertura di
una valvola e scaricato in aria (in questo modellino non c’è il
condensatore).
Foto della macchina a vapore utilizzata in laboratorio
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