Macchine termiche - De Pinedo

I.I.S
“De Pinedo-Colonna”
Classe 2° sez. H
Roma,13/03/2017
Relazione di laboratorio
Ludovica Pucci
Macchine termiche
Obiettivo: Osservare il funzionamento di alcune macchine termiche e verificarne il ciclo utilizzato.
Richiami Teorici:
➢ Termodinamica: è quella parte della fisica che studia e descrive le trasformazioni (trasformazioni
termodinamiche), subite da un sistema fisico (sistema termodinamico), in seguito a processi che
coinvolgono la massa e l’energia;
➢ Principio di conservazione dell’energia: l’energia non si crea, non si distrugge ma si trasforma.
Oppure possiamo dire che la variazione di energia che entra in un corpo o sistema è uguale all’energia
che esce da quel corpo o sistema;
➢ Scambi di energia tra sistema e ambiente: i trasferimenti di energia si effettuano tramite scambi di
calore o lavoro, che possono essere positivi o negativi, in dettaglio:
𝐿<0
𝐿>0
sistema
𝑄<0
𝑄>0
➢ Energia interna 𝑼: grandezza fisica che dipende dalle trasformazioni termodinamiche che avvengono
nel sistema. Il ∆𝑈 è la quantità di energia che il sistema scambia con l'ambiente durante le
trasformazioni.
➢ Lavoro di un ciclo: corrisponde all'area all'interno del ciclo. Se il ciclo gira in senso orario il lavoro
prodotto risulterà positivo; se gira in senso antiorario il lavoro risulterà negativo.
5
4
D
P
3
2
1
C
E
A
B
0
0
1
2
V
3
4
5
➢ Primo principio della termodinamica: questo principio è in relazione al principio di conservazione
dell'energia, è esteso però a una condizione in cui un sistema può scambiare energia con l'ambiente
esterno grazie alla differenza di temperatura di due sorgenti. La legge dice che:
"la variazione dell'energia interna (∆𝑈) di un sistema durante una trasformazione in cui riceve calore
(Q) e fornisce lavoro (L) è ∆𝑈 = 𝑄 − 𝐿"
➢ Conseguenze del primo principio: Nelle trasformazioni dei gas (isoterma,isocora,isobara,
adiabatica) il primo principio consente di determinare il Lavoro (L).
Isocora: il volume rimane costante,
ed il sistema non compie lavoro.
L=0
Isobara: la pressione nel sistema
rimane costante mentre l'energia
interna cambia a causa del lavoro
fatto e dal calore scambiato.
Isoterma: la temperatura rimane
costante e quindi anche l'energia
interna rimane costante.
∆𝑈 = 0
Adiabatica: il sistema è isolato
dall'ambiente quindi non ci sono
scambi.
Q=0
∆𝑈 = 𝑄
∆𝑈 = 𝑄 − 𝐿
𝐿=𝑄
∆𝑈 = −𝐿
➢ Secondo principio della termodinamica: esistono due enunciati
"il calore fluisce da una sorgente calda a una fredda ed è impossibile che si verifichi l'opposto."
"è impossibile che tutto il calore si possa trasformare in lavoro"
Questi due enunciati sono stati elaborati da due fisici diversi: per il primo enunciato fu Clausius e per
il secondo fu Kelvin.
➢ Macchine termiche: è un dispositivo che trasforma l'energia termica in lavoro meccanico agendo con
trasformazioni cicliche. Lavora su un ciclo chiuso in modo che il moto sia continuo. La macchina ha
al suo interno un fluido che viene sottoposto a diverse trasformazioni, il sistema avendo un
comportamento ciclico fa tornare il fluido sempre nello stato iniziale.
La macchina funziona secondo 3 fasi ben precise:
1. il calore viene assorbito dall'ambiente (𝑄𝑐 );
2. una parte del calore (𝑄𝑐 ) viene trasformato in lavoro (L);
3. il calore in eccesso (𝑄𝑓 ) vieni rilasciato nell'ambiente.
Le macchine termiche che usano due sorgenti che si mantengono a temperatura uniforme, prelevano
calore dalla sorgente con temperatura più alta (𝑇𝑐 ) e cedono calore a quella con temperatura più bassa
(𝑇𝑓 ).
➢ Ciclo Otto o motore a quattro tempi: I motori a scoppio sono dispositivi che sfruttano l'energia
termica prodotta al loro interno causate da una combustione. Il ciclo Otto ha 6 trasformazioni
termodinamiche, in 4 di queste il pistone si muove nel cilindro; queste fasi sono:
Aspirazione (A→ 𝐵): dove il pistone si abbassa per far entrare tramite una valvola di aspirazione la
miscela di aria e benzina. Il volume aumenta mentre la pressione rimane costante;
Compressione (𝐵 → 𝐶): le valvole di aspirazione vengono chiuse e il pistone comincia a salire
riducendo il volume della miscela e aumentando la sua pressione e di conseguenza la sua temperatura
in modo adiabatico;
Scoppio (C→ 𝐷 → 𝐸): quando la miscela arriva a contatto con la candela, scoppia una scintilla che
provoca la combustione della miscela (V costante). Il pistone comincia a scendere e il gas si espande
aumentando il volume e diminuendo la pressione in modo adiabatico. In questa fase i gas a temperatura
elevata spingono il pistone verso il basso; cioè compiono un lavoro che in questo caso è positivo;
Scarico (𝐸 → 𝐵 → 𝐴): quando il pistone è fermo la valvola di scarico si apre, facendo uscire tutti i gas
di scarico che sono ad alta pressione. Per far uscire definitivamente tutti i gas residui il pistone si sposta
verso l'alto.
➢ Motore Diesel: In questo motore, a differenza del motore a quattro tempi, la combustione non è
provocata dalla candela ma avviene a causa dell'alta pressione dell'aria. Anche nel Diesel le
trasformazioni termodinamiche sono 6.
Aspirazione (𝐴 → 𝐵): il pistone si abbassa, la valvola di aspirazione si apre ed entra solo aria;
Compressone (𝐵 → 𝐶): il pistone comincia a salire e comprime al massimo l'aria in modo adiabatico;
Scoppio (𝐶 → 𝐷 → 𝐸): una volta finita la fase di compressione, un iniettore rilascia nel cilindro del
gasolio e avvia la fase di combustione (molto più lenta della combustione della benzina). Mentre il
pistone scende la combustione continua a pressione costante e il volume aumenta in modo adiabatico;
Scarico (𝐸 → 𝐵 → 𝐴): la valvola di scarico viene aperta e il pistone sale per far uscire i gas di scarico.
Le macchine usate in laboratorio- descrizione: in laboratorio abbiamo utilizzato due macchine termiche che
lavorano su due cicli diversi: il ciclo di Stirling e il ciclo di Rankine (macchine a combustione esterna).
•
La prima macchina termica che abbiamo utilizzato sfrutta il ciclo di Stirling ed ha 4 componenti
(macchina termica, indicatore p-V, puntatore laser, alimentatore).
puntatore laser
alimentatore
impianto di
raffredamento
indicatore p-V
La resistenza elettrica alimentata
dalla rete fornisce l’energia
termica necessaria.
comincia a riscaldare la resistenza
(𝑄𝑐 ).
Due cilindri uno concentrico all'altro, a cui sono collegati
due tubicini che fanno circolare l'acqua fredda
all'interno del cilindro (un tubicino porta l'acqua fredda,
l'altro fa uscire l'acqua ormai calda 𝑄𝑓 ).
volano
L’indicatore pV è composto da un manometro, che ha, al posto della lancetta che segna la pressione, uno
specchietto che viene collegato tramite un tubicino al gas compresso fra il pistone inferiore e la resistenza
elettrica. Se proiettiamo un raggio laser sullo specchietto, il raggio verrà riflesso su uno schermo e ci rivelerà
l’andamento della pressione. Per vedere anche l'andamento del volume, collegheremo un filo al pistone basso.
L’indicatore avrà così 2 assi di rotazione
specchietto
puntatore laser
tubicino
collegato al gas
filo collegato al pistone
basso
Accesa la macchina, si osserva proiettato sulla lavagna l’andamento previsto dal ciclo di Stirling (vedi figura
ciclo teorico). Il lavoro all’interno del ciclo visualizzato rappresenta il lavoro fornito dalla macchina (potendolo
disegnare e calcolarne algebricamente l’area); abbiamo anche verificato che diminuendo la tensione fornita,
scaldava meno la resistenza, quindi diminuiva Qc e di conseguenza diminuiva l’area all’interno del ciclo.
Ciclo Stirling teorico
Il ciclo è costituito da due isoterme e due isocore durante le quali avviene il riscaldamento e raffreddamento
del gas. L’area all’interno del ciclo rappresenta il lavoro fornito dalla macchina.
Il ciclo di Stirling può essere anche invertito, in qusto caso il lavoro risulterà negativo, il fluido all'interno si
raffredderà, dovremmo dare noi manualmente l'energia necessaria per il funzionamento (frigorifero) ed
espellerà più calore di quello assorbito inizialmente (i due Q si invertono).
•
La seconda macchina termica a combustione esterna che abbiamo utilizzato sfrutta il ciclo Rankine
ed ha 4 componenti (caldaia, cilindro, pistone, biella).
caldaia
bruciatore
tubicini
volano
pistone e
cilindro
biella
La parte centrale della macchina è la caldaia dove l’acqua viene riscaldata e portata a ebollizione; il vapore
creatosi viene fatto passare per un cilindro. Il vapore infatti tramite dei tubicini collegati a un pistone spinge
quest'ultimo creando un lavoro meccanico. A questo punto per avere un moto circolare ci serviamo di una
biella. Il vapore viene fatto uscire dal cilindro attraverso una valvola.
Ciclo Rankine teorico