3. Energia, Primo principio della Termodinamica

Question 1

ENERGIA

Answer 1

Capacità di un corpo o più in generale di un sistema fisico di compiere un lavoro.

Question 2

Forme di Energia

Answer 2

Energia Termica, Energia Cinetica, Energia Potenziale, Energia Elettrica, Energetica Magnetica, Energia Chimica, Nucleare

Question 3

Unità e specifica

Answer 3

KJ/KG

Question 4

Energie Macroscopiche

Answer 4

Quelle possedute dal sistema
nel suo complesso rispetto a
un sistema di riferimento
esterno. –> Dipendenti dal sistema di riferimento

Energia Cinetica, Energia Potenziale

Question 5

Energia Microscopiche

Answer 5

Quelle legate alla struttura
molecolare del sistema e al
grado di attività molecolare.
–> Indipendenti dal sistema di riferimento

Energia Interna - U

Question 6

Energia Cinetica

Answer 6

Forma di energia (normalmente) macroscopica che un sistema possiede per effetto del suo moto.

Ecin = m * ( w^2 / 2 ) = Joules
ecin = (w^2/2) = KJ/Kg

Question 7

Energia Potenziale

Answer 7

Forma di energia macroscopica che un sistema possiede per effetto della sua quota in un campo gravitazionale

𝑬𝒑𝒐𝒕 = 𝒎𝒈z
g= accelerazione di gravita= 9,8 m/s^2

Question 8

Energia totale di un sistema

Answer 8

𝑬 = 𝑼 + 𝑬𝒄𝒊𝒏 + 𝑬𝒑𝒐𝒕

Trascurando, come detto, gli effetti delle altre forme di energia, in termodinamica, l’energia totale di un sistema viene espressa come:

𝑬 = 𝑼 + 𝒎*𝒘𝟐/𝟐+ 𝒎𝒈𝒛 = 𝒌𝑱

Question 9

Sistema in REGIME STAZIONARIO

Answer 9

Durante una trasformazione termodinamica, la maggior parte dei sistemi chiusi non subisce variazioni di energia cinetica o potenziale

La loro velocità e la quota del loro centro di massa rimangono invariate durante la trasformazione termodinamica.

La variazione di energia totale di un sistema in regime stazionario coincide con la variazione della sua energia interna.

Question 10

Sistema chiuso

Answer 10

Quando ci troviamo a lavorare con un sistema chiuso, stiamo parlando di una quantità invariabile di massa (m=cost).

Il sistema CHIUSO viene indicato come
MASSA DI CONTROLLO

Question 11

Sistema aperto

Answer 11

Quando ci troviamo a lavorare con un sistema aperto, stiamo parlando di una quantità variabile di massa, ma di un volume costante (V=cost).

Il sistema APERTO viene indicato come
VOLUME DI CONTROLLO

Porzione di spazio in cui sia la massa che
l’energia passano attraverso il confine del
volume

Question 12

Portata Massica

Answer 12

I volumi di controllo implicano flusso di fluido in lunghi intervalli di tempo.

Si introduce, quindi, il concetto di: Portata massica

Quantità di massa che fluisce attraverso una sezione trasversale nell’unità di tempo:
𝒎° = 𝝆𝑽° = 𝝆𝑨𝒘𝒎𝒆𝒅 = 𝒌𝒈/s

POTENZA ASSOCIATA ALLA PORTATA MASSICA:
E°=m°*e = kW

Question 13

Energia Meccanica

Answer 13

Forma di energia che può essere convertita completamente e direttamente in lavoro meccanico da un dispositivo meccanico ideale quale una turbina ideale.

ATTENZIONE!

La pressione non è una forma di energia!
Tuttavia, una forza di pressione che agisce su un fluido determinandone un certo spostamento, compie lavoro detto lavoro di flusso, nella quantità 𝒑/𝝆 (riferita all’unità di massa).

Question 14

Lavoro di flusso

Answer 14

È possibile esprimere il lavoro di flusso in termini di proprietà del fluido, venendo quindi considerato come parte dell’energia in un fluido in moto e prendendo il nome di energia di flusso:

e𝒇𝒍𝒖𝒔𝒔𝒐 = 𝒑/𝝆

Perciò, l’energia meccanica specifica di un fluido in moto riferita all’unità di massa può essere espressa come:

𝒆𝒎𝒆𝒄𝒄 =𝒑/𝝆+𝒘^𝟐/𝟐+ 𝒈*z

Question 15

Variazione energia meccanica specifica per un fluido durante un flusso incomprimibile

Answer 15

Tutti i liquidi sono incomprimibili (𝝆=cost ) dunque:
Variazione 𝒆𝒎𝒆𝒄𝒄 =((𝒑2-p1)/𝝆)+(𝒘2^𝟐+𝒘1^𝟐)/𝟐+ 𝒈*(z2-z1)

Perciò, se 𝒑, 𝝆, 𝒘 e 𝒛 di un fluido non cambiano durante il suo moto, la sua energia meccanica non varia

Question 16

Sotto che forma l’energia è capace di attraversare il contorno di un sistema chiuso?

Answer 16

Calore e Lavoro

Question 17

Calore - Q

Answer 17

Forma di energia che si trasmette (tra due sistemi o tra un sistema e l’ambiente) sotto forma di scambio di energia termica per effetto di una differenza di temperatura.

In termini di potenza termica:
Integrale fra t1 t2

Question 18

Lavoro - L

Answer 18

Forma di energia che si trasmette (tra due sistemi o tra un sistema e l’ambiente) sotto forma di energia meccanica per effetto dell’azione di una forza (pressione) che attua su di esso con risultante diversa da zero.

Il lavoro totale è ottenuto seguendo la specifica linea di trasformazione:
Integrale fra stato 1 e 2 della funzione dei fluidi (v,p).
Area in diagramma di Clepeyron.

Question 19

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA O PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA

Answer 19

INTRO

Il principio è nato dalla necessità di studiare la macchina termica ideale* che funziona:
* assorbendo calore Q dall’ambiente;
* eseguendo lavoro L sull’ambiente stesso

**PRIME HP: **

In un sistema chiuso a volume costante (non può eseguire lavoro, L=0), fornendo calore al sistema, la sua energia interna aumenta.
Ef=Ei+Q

Un sistema chiuso isolato (non scambia calore, Q=0) che esegue lavoro sull’ambiente esterno, registra una diminuzione della sua energia interna.
Ef=Ei-L

ESPERIENZA DI JOULES:

Costatazione
Consideriamo un sistema termodinamico che percorre un ciclo chiuso di trasformazioni dove scambia calore e compie lavoro.

Si constata che se dopo un ciclo chiuso, il bilancio del calore scambiato é positivo, anche il bilancio di lavoro compiuto è positivo…

Questo ci fa pensare che c’è un legame tra lavoro e scambio di calore.

Esperienza n cicli chiusi

Q1/L1= A1
Q2/L2=A2
…
Qn/Ln=An

A1=A2=An → Questa esperienza testimonia il legame tra L e Q. Diverse forme di una stessa entità che si trasformano, l’energia.

Q-AL=0

Esperienza trasformazione aperta da H a K seguendo diversi percorsi

Q-AL ≠ 0 ma 𝑸𝑯𝑲 − 𝑨𝑳𝑯𝑲 = ∆𝑼

∆𝑼 dipende solo dallo stato finale e dallo stato iniziale, e dunque è una grandezza di stato chiamata Energia Interna.

𝑸𝑯𝑲 − 𝑨𝑳𝑯𝑲 = 𝑼𝑲 − 𝑼𝑯 → FORMULAZIONE ANALITICA del I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA - ENUNCIATO CHE DIMOSTRA IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA

• fornendo calore al sistema o eseguendo lavoro su di esso, aumenta la sua energia interna;
• se il sistema esegue lavoro o cede calore, la sua energia interna diminuisce.

Question 20

𝑸𝑯𝑲 − 𝑳𝑯𝑲 = 𝒖𝑲 − 𝒖𝑯 → FORMULAZIONE ANALITICA del I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Answer 20

• fornendo calore al sistema o eseguendo lavoro su di esso, aumenta la sua energia interna;
• se il sistema esegue lavoro o cede calore, la sua energia interna diminuisce.

Vediamo che la differenza tra calore netto e lavoro netto nel passaggio tra due stati prefissati è uguale alla variazione di energia interna e dipende SOLO dalla variazione di stato iniziale e finale e NON dalla trasformazione.

Il primo principio vale sia per trasformazioni reali che ideali.

Question 21

Sono il lavoro e il calore grandezze di stato?

Answer 21

No, come invece ∆𝑼 che dipende dallo stato iniziale e finale.

➢ Q ed L esistono solo durante la trasformazione poiché Q ed L vengono scambiati attraverso la superficie limite del sistema, non sono contenuti nel sistema.

Question 22

Trasformazione REVERSIBILE

Answer 22

Una trasformazione si dice reversibile se si può eseguire una trasformazione che riporti il sistema allo stato iniziale passando per la stessa successione di stati intermedi semplicemente invertendo il segno di calore e lavoro scambiati. Un esempio di trasformazione reversibile è il passaggio di stato. Una trasformazione quasi statica e senza effetti dissipativi è reversibile.

Question 23

Trasformazione
IRREVERSIBILE

Answer 23

Una trasformazione si dice irreversibile se non è possibile tornare allo stato iniziale invertendo il segno del calore e del lavoro.

Question 24

In un sistema stazionario, in assenza di scambio di lavoro (𝐿 = 0)…

Answer 24

𝑸𝑯𝑲 = ∆U

Question 25

Se una stanza isolata (sistema adiabatico) è riscaldata con una resistenza elettrica, quale è la variazione di energia?

Answer 25

Come la stanza è isolata, non c’è scambio termico e il Q è nullo. La variazione di energia totale corrisponde al lavoro (elettrico) fornito dalla resistenza. Come il lavoro è fornito dall’ambiente sul sistema, −𝑳𝒆𝒍 = ∆𝑼 = ∆E

Question 26

Bilancio energetico e conservazione
dell’energia

Answer 26

L’energia di un sistema non può essere né creata né distrutta, ma può solo cambiare forma.

La variazione netta (aumento o diminuzione) dell’energia totale del sistema durante una trasformazione è uguale alla differenza tre l’energia totale entrante nel sistema e l’energia totale uscente dal sistema durante la trasformazione.

∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎= 𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 − 𝐸𝑢𝑠𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒
∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎= 𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 − 𝐸𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒

In assenza di effetti elettrici, magnetici e tensioni superficiali.
Per sistemi stazionari:
∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎= ∆U

Question 27

3 modalità di trasmissione di energia

Answer 27

Trasferimento calore
Trasferimento lavoro
Flusso di massa

∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡= (𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡) + (𝐿𝑖𝑛 − 𝐿𝑜𝑢𝑡) + (𝐸𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎,𝑖𝑛 − 𝐸𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎,𝑜𝑢𝑡)

Question 28

Che cos’è una macchina termodinamica?

Answer 28

Si definisce macchina, un sistema termodinamico in grado di operare una trasformazione di energia.
* riceve dall’esterno l’energia E1
* cede all’esterno l’energia E2

In generale E1 e E2 sono di natura diversa.

Question 29

Che cos’è il rendimento?

Answer 29

Si definisce rendimento (𝜼) il rapporto:
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝜼 =𝑹𝒊𝒔𝒖𝒍𝒕𝒂𝒕𝒐 𝒖𝒕𝒊𝒍𝒆 𝑜𝑡𝑡𝑒𝑛𝑢𝑡𝑜 / 𝑺𝒑𝒆𝒔𝒂 𝒑𝒆𝒓 𝒐𝒕𝒕𝒆𝒏𝒆𝒓𝒆 𝑖𝑙 𝑟𝑖𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑡𝑜 =𝐸2/𝐸1

Question 30

Che cos’è una macchina termica?

Answer 30

Si definisce macchina termica, un sistema termodinamico in grado di operare una trasformazione di energia in cui:
* l’energia ricevuta E1 è calore (Q)
* l’energia ceduta E2 è lavoro (L)

Il rendimento (𝜼) è pari a:
𝜼 =𝑳𝒂𝒗𝒐𝒓𝒐 𝒖𝒕𝒊𝒍𝒆 𝒐𝒕𝒕𝒆𝒏𝒖𝒕𝒐/𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓𝒆 𝒇𝒐𝒓𝒏𝒊𝒕𝒐
𝜼=𝐿/𝑄

Question 31

Che cos’è una macchina frigorifera?

Answer 31

Si definisce macchina frigorifera, un sistema termodinamico in grado di operare una trasformazione di energia in cui:
* l’energia ricevuta E1 è diversa in funzione del tipo di macchina
* l’energia E2 è il calore sottratto a bassa temperatura

Le macchine frigorifere sono descritte dall’effetto utile (𝝃) che è pari a:

𝝃 =𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓𝒆 𝒔𝒐𝒕𝒕𝒓𝒂𝒕𝒕𝒐/𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 𝒊𝒏 𝒊𝒏𝒈𝒓𝒆𝒔𝒔𝒐
𝝃=𝑄/𝐸1

Question 32

Rendimento di combustione?

Answer 32

In apparecchio a combustione:

𝜂𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛𝑒 =𝑄/𝑃𝐶

dove Q=Quantità di calore liberata durante la combustione; PC=Potere calorifico del combustibile bruciato

Potere calorifico (PC):
Il PC di un combustibile è la quantità di calore che si libera quando una quantità unitaria di combustibile a temperatura ambiente viene bruciata completamente e i prodotti della combustione vengono raffreddati a temperatura ambiente.

Question 33

Differenza tra Potere Calorifico Inferiore (PCI) e Potere Calorifico Superiore (PCS)

Answer 33

La maggior parte dei combustibili contiene idrogeno che va a formare acqua durante il processo di combustione.
Se tra i gas di combustione è presente acqua in forma di vapore si parla di:

• Potere Calorifico Inferiore (PCI): Non tiene conto del calore latente di vaporizzazione
  dell’acqua generata durante la combustione
• Potere Calorifico Superiore (PCS): Tiene conto del calore latente di vaporizzazione
  dell’acqua generata durante la combustione.

Question 34

Generatore elettrico

Answer 34

Macchina elettrica che converte energia meccanica in energia elettrica.

𝜂 =𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑠𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒/𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒

Question 35

Centrale termo elettrica:

Answer 35

𝜂 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑡𝑎 𝑢𝑠𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 / 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑒𝑙𝑙′𝑢𝑛𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
=𝐿°𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 𝑒𝑙 / 𝑃𝐶𝐼 ∙ 𝑚° 𝑛𝑒𝑡𝑡a

𝜼𝒕𝒐𝒕 = 𝜂𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛𝑒* 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜* 𝜂𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟e

Question 36

POMPA

Answer 36

Fornisce energia meccanica ad un fluido.

𝜂𝑚𝑒𝑐𝑐 =𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙′𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 /𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒

𝜂𝑚𝑒𝑐𝑐=∆𝐸°𝑚𝑒𝑐𝑐,𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜/𝐿°𝑚𝑒𝑐𝑐,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒

Question 37

La tecnica del problem solving

Answer 37

1. Enunciato del problema → dati, incognite
2. Disegno schematico
3. Ipotesi e approssimazioni
4. Leggi fisiche (identificazione del dominio di validità)
5. Proprietà (relazioni, tabelle, ecc.)
6. Calcoli (analisi dimensionale, unità di misura e scelta del numero idoneo di cifre significative)
7. Ragionamento, verifica e discussione

Question 38

TURBINA

Answer 38

Estrae energia meccanica da un fluido