l`unità didattica in breve c1

L’Unità didattica in breve
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La natura del calore
Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 2 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A.
Il calore si propaga in modo spontaneo da un corpo caldo a uno più freddo, se posti a contatto. Se i due corpi sono alla medesima temperatura,
non si ha il flusso termico. Il calore è una forma di energia che può essere
trasformata in altre forme: le macchine termiche trasformano l’energia
termica in energia meccanica e viceversa. Il funzionamento delle macchine termiche si basa sulla differenza di temperatura fra il fluido interno
alla macchina e il fluido esterno. La differenza di temperatura è ottenibile mediante reazioni chimiche o azioni meccaniche.
La temperatura e il calore
La scala Celsius assume, a pressione atmosferica, valore 0 in corrispondenza del punto di congelamento dell’acqua e assume valore 100 in corrispondenza del punto di evaporazione dell’acqua. La scala Kelvin assume
valore 0 in corrispondenza dello zero assoluto: l’unità di misura è il kelvin
[K]. La scala Fahrenheit ha come unità di misura il grado Fahrenheit
[°F] e assume valore 32 °F al punto di congelamento dell’acqua, a pressione
atmosferica, e valore 212 °F al punto di ebollizione dell’acqua, a pressione
atmosferica; il grado Fahrenheit risulta più piccolo del grado Celsius [°C].
Per valutare la tendenza dei materiali a scaldarsi quando viene somministrato del calore si ricorre al concetto di capacità termica massica
c, definita come rapporto fra il calore fornito all’unità di massa della
sostanza in esame e la variazione di temperatura avvenuta per riscaldamento. La capacità termica massica indica quanta energia termica,
espressa in joule, dev’essere trasmessa a 1 kg di materiale per ottenere
l’innalzamento di 1 °C di temperatura. Per l’acqua, il valore di c oscilla
con lieve differenza intorno al valore medio di 4,186 kJ/(kg K).
Riscaldando un corpo, oltre all’aumento di temperatura si nota una
dilatazione ∆l per ogni lato di lunghezza l; la dilatazione è direttamente proporzionale all’incremento di temperatura ∆t subito dal corpo; λ è
il coefficiente di dilatazione termica lineare, una costante del materiale.
La combustione
La combustione è un insieme di reazioni chimiche di ossidazione fra un
combustibile, formato da carbonio e idrogeno, e l’ossigeno comburente. Le
miscele reagenti sono miscugli di combustibile e comburente capaci di reagire con elevata velocità di reazione e sviluppando una fiamma. La velocità
delle reazioni chimiche è influenzata dalle concentrazioni dei componenti,
dalla temperatura e dalla forma della camera di combustione; una miscela
di combustibile e comburente è detta stechiometrica se la composizione
dà luogo alla combustione completa. Il carbonio e l’idrogeno reagiscono con
l’ossigeno dell’aria, producendo fumi composti da bios­­sido di carbonio e
vapore acqueo. La dissociazione del biossido di car­bonio è una reazione
endotermica con sviluppo di monossido di carbonio. Una combustione è
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detta teoricamente perfetta se non si ha la presenza di incombusti nei
fumi; è detta completa se non vi sono residui combustibili nelle ceneri e se
l’azoto si comporta da inerte e non prende parte alle reazioni di ossidazione.
In realtà l’azoto dà vita a tutta una fa­miglia di composti ossidati denominati NOx. Su tutti gli impianti termici è reso obbligatorio il controllo della
combustione e dei fumi. I controlli sono regolamentati dal DPR 551/1999.
Il potere calorifico dei combustibili
Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 2 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A.
Il potere calorifico inferiore PCI è la quantità di calore prodotta dall’unità di massa di un combustibile, o di volume se gassoso, in seguito alla sua
combustione completa; il PCI non comprende il calore di evaporazione contenuto dal vapore acqueo presente fra i prodotti della combustione. Il potere calorifico superiore PCS differisce dal precedente perché comprende
anche il calore di evaporazione del vapore acqueo. Per entrambi l’unità
di misura è il kJ/kg. La determinazione sperimentale del PCS è ottenuta
facendo avvenire la combustione in un contenitore, detto bomba calorimetrica. Esistono metodi teorici per il calcolo dei po­teri calorifici e della
massa d’aria stechiometrica Atm. L’unità di mi­sura di Atm è il kg/kg.
Si de­finisce eccesso d’aria e il rapporto fra la quan­tità in massa d’aria
in­trodotta in più rispetto all’aria teorica e la quantità d’aria teorica.
Tipi di combustibile
I principali combustibili solidi sono i carboni fossili, fra i quali l’antracite
e il litantrace, aventi un PCI di circa 32 MJ/kg. Il coke è un carbone artificiale derivato dal carbone naturale o dal petrolio. Nei grandi impianti il carbone viene macinato in forma di polverino per velocizzare la combustione. I
combustibili liquidi, derivanti dalla raffinazione del petrolio, si presentano
sotto forma di miscela di idrocarburi liquidi, aventi formula chimica Cn Hm;
dalla distillazione frazionata del greggio e in seguito a ulteriori lavorazioni
chimiche si ottengono benzine, ke­ro­­se­ne, gasoli e nafte, oli lubrificanti, paraffine e vaseline; il re­si­duo fisso costituisce coke di petrolio,
catrame, asfalti e pece. Il combustibile gassoso più importante è il gas
naturale a base di metano, di­stribuito e convogliato attraverso una fitta
rete di metanodotti. Im­por­tan­za crescente è rivestita dai biogas emessi
dalle discariche ur­ba­ne e dall’idrogeno. I gas di petrolio liquefatti GPL sono
miscele costituite da bu­tilene, propilene, propano, butano, etilene.
Altre proprietà dei combustibili
Le temperature caratteristiche di un combustibile sono: la temperatura di
ignizione, di infiammabilità, di autoaccensione e di flash point. Esse
permettono di definire i rischi di infiammabilità e di esplosione e per la
sicurezza nel trasporto e nell’immagazzinamento. La vo­latilità e il calore
latente sono indici della tendenza a emettere vapori, mentre le proprietà
anticongelanti e il punto di scorrimento indicano la tendenza a solidificare. Per ogni combustibile, sono fis­sati per legge i contenuti di zolfo e la
coloritura che dev’essere ap­portata per la commercializzazione.
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PROBLEMI DI RIEPILOGO
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1. Esprimere in gradi centigradi la temperatura t = 120 °F.
2.Calcolare la quantità di calore Q che dev’essere sottratta a una massa di
850 kg di calcestruzzo per raffreddarlo di 20 °C.
3.Calcolare e confrontare fra di loro le quantità di calore Q che devono
essere fornite a un volume di acqua di 20 m3 per innalzarlo di 1 °C di
temperatura, rispettivamente da 34 a 35 °C e da 84 a 85 °C.
4. Esprimere in Btu la quantità di energia termica di 15 kJ.
5.Calcolare l’allungamento di un mattone lungo 25 cm, qualora subisca un
aumento di temperatura di 70 °C.
6.In un recipiente con le pareti termicamente isolate vengono mescolate due
masse della medesima sostanza liquida: la massa m1 = 500 g, a temperatura t1 = 18 °C, e la massa d’acqua m2 = 800 g, a temperatura t2 = 90 °C.
Calcolare la temperatura finale t3 di tutto il miscuglio.
7.Calcolare il calore che si ottiene bruciando, con il rendimento di combustione η = 75%, la massa m = 15 kg di GPL, contenuta in una comune
bombola per uso domestico.
8.Calcolare la massa m di antracite, avente potere calorifico Pci =33500kJ/kg,
necessaria per portare 18 200 kg d’acqua da 15 °C a 45 °C, sapendo che
il rendimento η del processo termico è del 60%.
9.Calcolare i poteri calorifici, inferiore e superiore, per un carbone i cui
componenti hanno le seguenti percentuali in massa: C = 85%; H = 4%;
O = 8%; S = 1,2%; U = 1,8%.
10.Calcolare il potere calorifico inferiore per un kerosene, i cui componenti
hanno le seguenti percentuali in massa: C = 84%; H = 14,4%; O = 0,6%;
S = 1%.
11.Calcolare la quantità d’aria stechiometrica, in grado di produrre la combustione teoricamente completa di un 1 m3 del combustibile gassoso, così
composto: CO = 10%; H2 = 14%; O = 7%; CH4 = 61%; C3H8 = 8%.
12.La puleggia su cui si avvolge la fune di una teleferica può essere considerata come un anello di acciaio avente diametro medio di 2 m. Calcolare di
quanto bisogna innalzare la temperatura per ottenere un allungamento
di un centimetro sulla circonferenza media.
13.Calcolare l’energia liberata dalla combustione completa di 10 l di benzina, con rendimento unitario.
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