FONDAMENTI TERMODINAMICI DELL`ENERGETICA

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€ 30,00
IVA COMPRESA
ISBN 978-88-89884-17-1
G. Comini
S. Savino
FONDAMENTI
TERMODINAMICI DELL’ENERGETICA
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PADOVA
Gianni Comini - Stefano Savino
FONDAMENTI
TERMODINAMICI
DELL’ENERGETICA
PADOVA
Prefazione
Il volume, dedicato ai “Fondamenti Termodinamici dell’Energetica” viene incontro alle esigenze didattiche dei corsi di Termodinamica Applicata e Fisica Tecnica
tenuti agli allievi ingegneri meccanici, gestionali e civili. La collocazione di tali
corsi al secondo anno delle lauree triennali richiede un testo introduttivo alle applicazioni ingegneristiche (con particolare riferimento a quelle del settore energetico), piuttosto che un testo volto ad approfondire le implicazioni concettuali
della Termodinamica. Pertanto, rispetto al volume “Fondamenti di Termodinamica Applicata”, sono state ridotte le trattazioni dei cicli diretti ed inversi, e si è
rinunciato alla presentazione delle analisi exergetiche di processi e cicli. Nella
nuova organizzazione didattica, infatti, gli approfondimenti sui cicli termodinamici vengono generalmente lasciati ai corsi di Macchine, mentre l’analisi exergetica
viene presentata nei corsi di Energetica.
Nel testo si è, comunque, cercato di evitare che la riduzione dei contenuti andasse a scapito della chiarezza espositiva, o creasse quei “vuoti” concettuali che,
spesso, impediscono di apprezzare la grande coerenza interna di una disciplina
come la Termodinamica. Per questo motivo, nell’esposizione dei principi si è seguito il percorso storico che ha portato alla loro scoperta, piuttosto che il percorso assiomatico nel quale gli enunciati matematici precedono l’esame degli aspetti
fisici che li giustificano. Analogamente, nelle dimostrazioni non si è trascurato
alcun passaggio, e si sono illustrati gli argomenti, tradizionalmente piu’ ostici,
con molti esempi di applicazione. Infine, la presentazione è stata strutturata in
modo da consentire l’individuazione di percorsi didattici ulteriormente abbreviati che possono non comprendere, ad esempio, il bilancio dell’energia meccanica,
il moto dei fluidi comprimibili e l’energia utilizzabile. Infine, la scelta di utilizzare
LATEXnella preparazione del testo ha garantito evidenti vantaggi estetici rispetto
al precedente volume “Fondamenti di Termodinamica Applicata”, ha facilitato la
preparazione degli indici ed ha, indubbiamente, ridotto gli errori nelle citazioni
di formule, paragrafi e capitoli.
Udine, dicembre 2010
Gianni Comini e Stefano Savino
III
Indice
Prefazione
III
Nomenclatura
XI
1
2
Concetti introduttivi e definizioni
1.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 SISTEMI CHIUSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 SISTEMI APERTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Conservazione della massa . . . . . . . . . . .
1.4 UNITÀ DI MISURA . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 SISTEMA INTERNAZIONALE . . . . . . . . . . . .
1.6 USO DEL SISTEMA INTERNAZIONALE . . . . . .
1.6.1 Cambiamento di unità di misura . . . . . . . .
1.7 SCALE DI TEMPERATURA . . . . . . . . . . . . .
1.7.1 Scala di temperature di gas ideale . . . . . . .
1.7.2 Scala Internazionale Pratica delle Temperature
1.8 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Lavoro e bilancio di energia meccanica
2.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 SCAMBI DI LAVORO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 LAVORO IN UN SISTEMA CHIUSO . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Lavoro tecnico in un sistema chiuso . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Bilancio dell’energia meccanica in un sistema chiuso . . .
2.4 LAVORO TECNICO IN UN SISTEMA APERTO . . . . . . . . .
2.5 BILANCIO DELL’ENERGIA MECCANICA NEI SISTEMI MONODIMENSIONALI STAZIONARI . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Applicazioni del bilancio dell’energia meccanica ai sistemi monodimensionali stazionari . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Lavoro delle forze di attrito viscoso . . . . . . . . . . . .
2.6 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V
1
1
2
4
6
8
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23
25
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30
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37
40
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45
INDICE
3
Primo principio della termodinamica e bilancio dell’energia totale
3.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 PRIMO PRINCIPIO PER I SISTEMI CHIUSI . . . . . . . . . .
3.3 PRIMO PRINCIPIO PER I SISTEMI APERTI . . . . . . . . .
3.3.1 Primo principio per sistemi a deflusso monodimensionale
stazionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 ESEMPI DI APPLICAZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Compressori e turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Scambiatori di calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Valvole di laminazione . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 Sistemi di riempimento . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 PRIMO PRINCIPIO PER TRASFORMAZIONI CICLICHE . .
3.6 CALORI SPECIFICI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 Calori specifici delle Sostanze incomprimibili . . . . . .
3.7 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
. 49
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73
4
Secondo principio della termodinamica e bilancio di entropia
75
4.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 ENUNCIATI DEL SECONDO PRINCIPIO . . . . . . . . . . . . 76
4.3 REVERSIBILITÀ ED IRREVERSIBILITÀ . . . . . . . . . . . . 77
4.4 CICLO DI CARNOT E TEMPERATURA TERMODINAMICA . 79
4.4.1 Rendimento del ciclo di Carnot diretto e coefficienti di
effetto utile dei cicli di Carnot inversi . . . . . . . . . . . 81
4.5 ENTROPIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.1 Disuguaglianza di Clausius . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.6 ESPRESSIONI DELLA FORMA DIFFERENZIALE “T ds” . . . 89
4.6.1 Entropia delle sostanze incomprimibili . . . . . . . . . . 90
4.6.2 Primo e secondo principio e bilancio dell’energia meccanica 91
4.7 BILANCIO DI ENTROPIA PER I SISTEMI CHIUSI . . . . . . . 92
4.8 BILANCIO DI ENTROPIA PER I SISTEMI APERTI . . . . . . 97
4.8.1 Bilancio di entropia per sistemi a deflusso monodimensionale stazionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.9 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5
Gas ideali e loro miscele
5.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI . . . . . . . . . .
5.2.1 Calori specifici, energia interna ed entalpia dei gas ideali
5.2.2 Valutazione dei calori specifici dei gas ideali . . . . . .
5.2.3 Entropia dei gas ideali . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VI
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105
105
106
107
110
112
INDICE
5.3
5.4
5.5
5.6
TRASFORMAZIONI ISOCORE DEI GAS IDEALI . . . . . . . 114
TRASFORMAZIONI ISOBARE DEI GAS IDEALI . . . . . . . 116
TRASFORMAZIONI ISOTERME DEI GAS IDEALI . . . . . . 116
TRASFORMAZIONI ADIABATICHE ED ISOENTROPICHE DEI
GAS IDEALI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.1 Lavoro scambiato in trasformazioni adiabatiche . . . . . . 119
5.6.2 Lavoro scambiato in trasformazioni isoentropiche . . . . . 120
5.6.3 Rendimenti isoentropici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.7 TRASFORMAZIONI POLITROPICHE . . . . . . . . . . . . . . 127
5.7.1 Lavoro scambiato nelle trasformazioni politropiche . . . . 129
5.7.2 Calore scambiato nelle trasformazioni politropiche . . . . 131
5.7.3 Rendimenti Politropici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.8 COMPOSIZIONE DELLE MISCELE DI GAS . . . . . . . . . . 138
5.9 MODELLI DI DALTON E AMAGAT . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.10 ENERGIA INTERNA, ENTALPIA ED ENTROPIA DELLE MISCELE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.10.1 Variazioni delle proprietà termodinamiche nelle trasformazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.10.2 Miscelazione di gas ideali . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.11 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6
Sostanze pure
6.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 DIAGRAMMI (p, v, T) e (p, T) . . . . . . . . . . . . .
6.3 DIAGRAMMA (p, v) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Liquido sottoraffreddato e vapore surriscaldato
6.4 FATTORE DI COMPRIMIBILITÀ . . . . . . . . . . .
6.5 EQUAZIONI DI STATO DEGLI AERIFORMI . . . .
6.5.1 Equazione di Van der Waals . . . . . . . . . .
6.5.2 Equazione del viriale . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 Equazione di Lee-Kesler . . . . . . . . . . . .
6.6 GRANDEZZE ENERGETICHE DEGLI AERIFORMI
6.6.1 Relazioni di Maxwell . . . . . . . . . . . . . .
6.6.2 Equazione di Clausius-Clapeyron . . . . . . .
6.6.3 Espressione dell’energia interna . . . . . . . .
6.6.4 Espressione dell’entalpia . . . . . . . . . . . .
6.7 DIAGRAMMI TERMODINAMICI . . . . . . . . . .
6.7.1 Diagramma (T, s) . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.2 Diagramma (h, s) . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.3 Diagramma (p, h) . . . . . . . . . . . . . . . .
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172
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174
177
178
179
VII
INDICE
6.8
6.9
7
8
TRASFORMAZIONI DEGLI AERIFORMI . . . . . . . . . . . . 180
CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
ARIA UMIDA
7.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 ARIA SECCA E VAPORE D’ACQUA . . . . . . . . . . . .
7.3 PROPRIETÀ TERMODINAMICHE DELL’ARIA UMIDA .
7.3.1 Umidità specifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2 Umidità Relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3 Entalpia specifica dell’aria umida . . . . . . . . . .
7.3.4 Calore specifico a pressione costante dell’aria umida
7.4 DIAGRAMMI PSICROMETRICI . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1 Diagramma di Carrier . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Diagramma di Mollier . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.3 Diagramma ASHRAE . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 MISURE SULL’ ARIA UMIDA . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1 Temperatura di rugiada . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.2 Temperatura di bulbo bagnato . . . . . . . . . . . .
7.5.3 Individuazione dello stato dell’aria umida . . . . . .
7.6 TRASFORMAZIONI DELL’ ARIA UMIDA . . . . . . . .
7.6.1 Mescolamento adiabatico . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2 Umidificazione adiabatica . . . . . . . . . . . . . .
7.6.3 Umidificazione a vapore . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.4 Riscaldamento o raffreddamento semplice . . . . . .
7.6.5 Raffreddamento con deumidificazione . . . . . . . .
7.7 CONDIZIONAMENTO DELL’ ARIA . . . . . . . . . . . .
7.7.1 Condizionamento invernale . . . . . . . . . . . . .
7.7.2 Condizionamento estivo . . . . . . . . . . . . . . .
7.8 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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COMBUSTIONE
8.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 RICHIAMI DI STECHIOMETRIA . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1 Eccesso d’aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2 Analisi dei fumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 POTERI CALORIFICI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Combustioni reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Variazioni del potere calorifico . . . . . . . . . . . . . .
8.4 TEMPERATURA DEI FUMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5 RENDIMENTI DI CONVERSIONE DELLE COMBUSTIONI .
VIII
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221
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232
232
235
INDICE
8.6
8.7
8.8
8.9
9
RENDIMENTI DI CALDAIE E GENERATORI DI VAPORE
RENDIMENTI DELLE CAMERE DI COMBUSTIONE . . .
RENDIMENTI DEGLI IMPIANTI TERMICI MOTORI . . .
CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CICLI DIRETTI
9.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 CICLO JOULE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1 Ciclo Joule ideale . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2 Influenza delle irreversibilità interne . . . . . .
9.2.3 Impianti con turbina a gas . . . . . . . . . . .
9.3 CICLI DEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA
9.3.1 Ciclo Otto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Ciclo Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.3 Ciclo misto . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 CICLI DIRETTI A VAPORE . . . . . . . . . . . . . .
9.4.1 Ciclo Rankine a vapore saturo . . . . . . . . .
9.4.2 Influenza delle irreversibilità interne . . . . . .
9.4.3 Miglioramenti del ciclo a vapore saturo . . . .
9.4.4 Ciclo Rankine a vapore surriscaldato . . . . .
9.4.5 Miglioramenti del ciclo a vapore surriscaldato .
9.4.6 Impianti con turbina a vapore . . . . . . . . .
9.5 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 CICLI INVERSI
10.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 CICLI INVERSI STANDARD . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Ciclo frigorifero standard . . . . . . . . . . .
10.2.2 Ciclo standard a pompa di calore . . . . . . .
10.2.3 Influenza delle irreversibilità esterne . . . . .
10.3 FLUIDI FRIGORIGENI . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 MACCHINE AD ASSORBIMENTO . . . . . . . .
10.4.1 Valori massimi dei coefficienti di effetto utile
10.5 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 CENNI SUL MOTO DEI FLUIDI COMPRIMIBILI
11.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 TEOREMA DELLA QUANTITÀ DI MOTO . .
11.3 VELOCITÀ DEL SUONO . . . . . . . . . . . .
11.4 STATO DI RISTAGNO . . . . . . . . . . . . . .
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IX
INDICE
11.5 CONDOTTI A SEZIONE VARIABILE . . .
11.5.1 Stato critico . . . . . . . . . . . . . .
11.6 ESPANSORI IDEALI . . . . . . . . . . . . .
11.7 ESPANSORI REALI . . . . . . . . . . . . .
11.7.1 Ugello convergente . . . . . . . . . .
11.7.2 Ugello convergente-divergente . . . .
11.7.3 Rendimento isoentropico di un ugello
11.8 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . .
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12 Energia utilizzabile
12.1 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2 BILANCIO DI EXERGIA PER UN SISTEMA CHIUSO . . . .
12.2.1 Energia utilizzabile di una quantità di calore . . . . . . .
12.2.2 Energia utilizzabile di una massa di fluido in un sistema
chiuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 BILANCIO DI EXERGIA PER UN SISTEMA APERTO . . . .
12.3.1 Energia utilizzabile di una massa di fluido che attraversa
un sistema aperto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 RENDIMENTI DI PRIMO E SECONDO PRINCIPIO . . . . .
12.5 ESEMPI DI APPLICAZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.1 Cicli diretti bitermici . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.2 Cicli inversi bitermici . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.3 Espansori e compressori . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.4 Scambiatori di calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6 CONCLUSIONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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344
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348
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357
359
Appendice
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Bibliografia
391
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