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DOMANDE DI TEORIA
1. Il primo principio della Termodinamica e le sue conseguenze. Il primo principio della termodinamica puรฒ essere formulato in due diversi modi:
Per tutti i processi adiabatici che avvengono tra due specificati stati di un sistema termodinamico chiuso, il lavoro netto scambiato col sistema รจ lo stesso considerando la natura del processo e la natura del sistema
Qualunque coppia di stati A1 e A2 di un sistema A puรฒ essere interconnessa mediante un processo meccanico e indicando con (๐ง2 โ ๐ง1) la variazione di quota prodotta da questo processo di un grave di massa m immerso in un campo gravitazionale di accelerazione costante g, il prodotto ๐๐(๐ง2 โ ๐ง1) assume lo stesso valore per tutti i processi meccanici che interconnettono i due stati A1 e A2.
La principale conseguenza del primo principio della termodinamica รจ il principio di conservazione dellโenergia secondo cui lโenergia non si crea nรฉ si distrugge ma si trasforma soltanto. Lโenergia risulta dunque essere una proprietร dello stato termodinamico che puรฒ essere misurata se รจ noto un valore di riferimento ๐ธ0: ๐ธ1 = ๐ธ0 โ๐๐(๐ง1 โ ๐ง0)
2. Il secondo principio della Termodinamica e le sue conseguenze. Il secondo principio della termodinamica afferma che รจ sempre possibile, mediante un processo meccanico reversibile, raggiungere uno stato di equilibrio stabili con valori arbitrariamente fissati di energia, quantitร di costituenti e parametri. Le conseguenze del secondo principio sono 4:
Enunciato di Kelvin-Planck = partendo da uno stato di equilibrio stabile non รจ possibile estrarre energia meccanica senza lasciare tracce nellโambiente
Negli stati di equilibrio instabile esiste una certa quantitร di energia, nota come disponibilitร adiabatica, che puรฒ essere trasferita ad un grave mediante un processo meccanico
La quantitร di energia inutile presente in uno stato di equilibrio instabile รจ detta entropia
ร sempre possibile stabilire il verso in cui puรฒ avvenire un processo meccanico tra due stati
3. Definizione di disponibilitร adiabatica e di energia disponibile rispetto ad un serbatoio, schematizzazione su diagramma U-S. Si definisce disponibilitร adiabatica la massima quantitร di energia che puรฒ essere trasferita ad un grave mediante un processo meccanico reversibile partendo da uno stato di equilibrio instabile. Si definisce invece energia disponibile rispetto ad un serbatoio la massima quantitร di energia che puรฒ essere trasferita ad un grave, in un processo meccanico per il sistema composto AR, senza modificare i valori della quantitร di costituenti e parametri del sistema A e del serbatoio R.
4. Definizione di entropia. Si definisce entropia la massima quantitร di energia che non puรฒ essere trasferita ad un grave mediante un processo meccanico. Lโentropia gode di alcune proprietร :
Additivitร = considerati due sistemi diversi tra loro A e B e il sistema composto C, formato dall'insieme dei due sistemi, si ha che l'entropia di C รจ uguale alla somma del l'entropia di A e quella di B
Principio di non decrescita = afferma che l'entropia puรฒ solo aumentare. Tale principio fissa il verso in รจ possibile che avvenga un processo meccanico S2 > S1 (๐๐๐๐)12 = 0 processo irreversibile S2 = S1 (๐๐๐๐)12 > 0 processo reversibile
5. I principi della massima entropia e della minima energia. Il principio della massima entropia afferma che tra tutti gli stati termodinamici con fissati i valori di quantitร di costituenti, parametri ed energia, quello di equilibrio stabile รจ quello con la massima entropia possibile. Il principio della minima energia invece afferma che tra tutti gli stati termodinamici con fissati i valori di quantitร di costituenti, parametri ed entropia, quello di equilibrio stabile รจ quello con la minima energia possibile.
6. Il principio di stato e la relazione fondamentale (forma energetica ed entropica) per un sistema termodinamico. Il principio di stato afferma che tra gli stati con gli valori di energia, quantitร di costituenti e parametri, uno e uno solo รจ di equilibrio stabile, per la seconda legge della termodinamica; perciรฒ il valore di ogni proprietร del sistema in uno stato di equilibrio stabile รจ univocamente determinato dai valori di energia, quantitร di costituenti e parametri. Il principio di stato applicato alla proprietร di entropia fornisce la relazione fondamentale: Forma entropica: ๐ = ๐(๐, ๐1, โฆ , ๐๐ , ๐ฝ1, โฆ , ๐ฝ๐ ) Forma energetica: ๐ = ๐(๐, ๐1, โฆ , ๐๐ , ๐ฝ1, โฆ , ๐ฝ๐ )
7. Rappresentazione dello stato termodinamico (equilibrio e non equilibrio) di un sistema su un diagramma U-S, rappresentazione grafica di disponibilitร adiabatica o di energia disponibile.
8. Equazione di Eulero (ipotesi di partenza, significato e/o utilitร ). Tutte le variabili che compaiono nella relazione fondamentale sono variabili estensive del sistema. Considerando ora un sistema A in equilibrio e suddividendolo in ๐ sottosistemi identici tutti in mutuo equilibrio tra loro, รจ possibile riscrivere le proprietร della relazione fondamentale come:
๐๐ด = ๐๐ ๐๐ด = ๐๐ ๐๐ด = ๐๐ ๐๐ด๐ = ๐๐๐
๐๐ด = ๐(๐๐ด, ๐๐ด , ๐๐ด๐) = ๐๐(๐, ๐,๐๐)
๐๐๐ด๐๐
= (๐๐๐ด๐๐๐ด
)๐๐ด,๐๐ด๐
โ๐๐๐ด๐๐
+ (๐๐๐ด๐๐๐ด
)๐๐ด,๐๐ด๐
โ๐๐๐ด๐๐
+โ(๐๐๐ด๐๐๐๐ด
)๐๐ด,๐๐ด
โ๐๐๐๐ด๐๐
๐
๐=1
=
= ๐๐ด๐ โ ๐๐ด๐ +โ๐๐๐ด๐๐ =
= ๐๐ โ ๐๐ +โ๐๐ ๐๐ = ๐
๐๐ด = (๐๐๐ด๐๐๐ด
)๐๐ด,๐๐ด๐
= [๐(๐๐)
๐(๐๐)]๐๐,๐๐๐
= (๐๐
๐๐)๐,๐๐
= ๐
Tale equazione รจ nota come equazione di Eulero e permette di esprimere una dipendenza tra le variabili intensive e le variabili estensive del sistema in suo stato di equilibrio.
9. Relazione di Gibbs-Duhem (ipotesi, significato e utilitร ). Consideriamo un sistema monocomponente. La relazione di Gibbs-Duhem che si ottiene sottraendo alla relazione fondamentale differenziale in forma energetica la relazione di Eulero differenziata permette di descrivere completante lo stato di un sistema conoscendo solo (n+1) proprietร intensive.
๐๐ = ๐๐๐ โ ๐๐๐ +โ๐๐๐๐๐
๐
๐=1
๐๐๐ ๐ธ๐ข๐ = ๐๐ โ ๐๐ +โ๐๐ ๐๐
๐๐๐๐ ๐ธ๐ข๐ = ๐๐๐ + ๐๐๐ โ ๐๐๐ โ ๐๐๐ +โ๐๐๐๐๐
๐
๐=1
+โ๐๐๐๐๐
๐
๐=1
๐๐ โ ๐๐๐๐ ๐ธ๐ข๐ = ๐๐๐ โ ๐๐๐ +โ๐๐๐๐๐
๐
๐=1
= โ
10. Trasformata di Legendre e sua applicazione per ricavare uno dei potenziali termodinamici (F, H, G). La relazione fondamentale รจ espressa in variabili estensive che perรฒ non solo facilmente rappresentabili o misurabili, al contrario invece di quelle estensive come temperatura e pressione. Le trasformate di Legendre hanno lo scopo di scrivere la relazione fondamentale in funzione di uno o piรน variabili intensive. Il problema di voler sostituire una variabile estensiva con una intensiva รจ equivalente al sostituire la variabile x nella funzione ๐ฆ = ๐ฆ(๐ก) con la funzione ๐๐ฆ/๐๐ฅ. Applicando la trasformata di Legendre alla relazione fondamentale รจ possibile ricavare dei potenziali termodinamici:
Energia libera di Helmoltz (F) = si ottiene applicano la trasformazione di Legendre alla relazione fondamentale in forma energetica, sostituendo lโentropia con la temperatura:
๐ = ๐(๐, ๐) ๐ = ๐น +๐๐
๐๐๐
๐๐
๐๐= ๐ ๐น = ๐น(๐, ๐) = ๐ โ ๐๐
๐๐น = ๐๐ โ ๐๐๐ โ ๐๐๐ = ๐๐๐ โ ๐๐๐ โ ๐๐๐ โ ๐๐๐ = โ๐๐๐ โ ๐๐๐
Entalpia (H) = si ottiene applicano la trasformazione di Legendre alla relazione fondamentale in forma energetica, sostituendo la pressione con il volume:
๐ = ๐(๐, ๐) ๐ = ๐ป โ๐๐
๐๐๐ โ
๐๐
๐๐= ๐ ๐ป = ๐ป(๐, ๐) = ๐ + ๐
๐๐ป = ๐๐๐ โ ๐๐๐ + ๐๐๐ + ๐๐๐ = ๐๐๐ + ๐๐๐
Energia libera di Gibbs (G) = si ottiene applicano la trasformazione di Legendre alla relazione fondamentale in forma energetica, sostituendo la pressione con il volume e sostituendo lโentropia con la temperatura:
๐ = ๐(๐, ๐) ๐ = ๐บ โ๐๐
๐๐๐ +
๐๐
๐๐๐ โ
๐๐
๐๐= ๐
๐๐
๐๐= ๐ ๐บ = ๐บ(๐, ๐) = ๐ป โ ๐๐
๐๐บ = ๐๐๐ + ๐๐๐ โ ๐๐๐ โ ๐๐๐ = ๐๐๐ โ ๐๐๐
11. Teorema di Schwartz e suo utilizzo per ricavare le relazioni di Maxwell. Il teorema di Schwartz stabilisce che lโrodine di determinazione in una derivata parziale mista รจ irrilevante, quindi se in un punto ๐ฅ0, ๐ฆ0 le derivate prime sono continue, per la funzione ๐ = ๐(๐ฅ, ๐ฆ) vale:
๐2๐
๐๐ฅ๐๐ฆ=๐2๐
๐๐ฆ๐๐ฅ
Applicando tale teorema ai potenziali termodinamici si ricavano le equazioni di Maxwell:
1ยฐ equazione di Maxwell:
๐ = ๐(๐, ๐) ๐๐ = ๐๐๐ โ ๐๐๐ ๐2๐
๐๐๐๐=
๐2๐
๐๐๐๐ (
๐๐
๐๐)๐= โ(
๐๐
๐๐)๐
2ยฐ equazione di Maxwell:
๐น = ๐น(๐, ๐) ๐๐น = โ๐๐๐ โ ๐๐๐ ๐2๐น
๐๐๐๐=
๐2๐น
๐๐๐๐ (
๐๐
๐๐)๐= (
๐๐
๐๐)๐
3ยฐ equazione di Maxwell:
๐ป = ๐ป(๐, ๐) ๐๐ป = ๐๐๐ + ๐๐๐ ๐2๐ป
๐๐๐๐=
๐2๐ป
๐๐๐๐ (
๐๐
๐๐)๐= (
๐๐
๐๐)๐
4ยฐ equazione di Maxwell:
๐บ = ๐บ(๐, ๐) ๐๐บ = ๐๐๐ โ ๐๐๐ ๐2๐บ
๐๐๐๐=
๐2๐บ
๐๐๐๐ (
๐๐
๐๐)๐= โ(
๐๐
๐๐)๐
12. Processo di scambio termico isobaro reversibile (derivazione di Cp e di alfa P). (Da dimostrare e commentare) Prendiamo in considerazione un sistema costituito da un cilindro-pistone su cui insiste una pressione costante ed a cui viene fornito calore in modo reversibile. Misurando le variazioni di volume e temperatura tra due stati di equilibrio del processo reversibile di scambio termico รจ possibile determinare il calore specifico a pressione costante per unitร di massa o mole:
๐๐ =1
๐(๐๐๐๐๐ฃ
๐๐)๐
๐๐โ =
1
๐(๐๐๐๐๐ฃ
๐๐)๐
Analizziamo ora i bilanci di entalpia ed entropia:
Entalpia:
d๐ป = ๐๐๐ + ๐๐๐ = ๐๐๐ = ๐๐๐๐๐ฃ ๐๐ = (๐๐ป
๐๐)๐
๐๐โ =
1
๐๐ (
๐๐ป
๐๐)๐
Bilancio entropico:
d๐ป = ๐๐๐ = ๐๐๐๐๐ฃ ๐๐ =1
๐๐ (
๐๐
๐๐)๐
๐๐โ =
1
๐๐ (
๐๐
๐๐)๐
In processo isobaro รจ anche possibile determinare il coefficiente volumetrico di dilatazione termica che descrive come varia il volume del sistema al variare della temperatura quando le pressioni sono mantenute costanti:
๐ผ๐ =1
๐ฃ(๐๐ฃ
๐๐)๐= ๐ (
๐๐โ1
๐๐)๐
= โ๐(๐โ2๐๐
๐๐)๐
= โ1
๐(๐๐
๐๐)๐
Per i gas ideali: ๐ฃ =๐ ๐
๐
1
๐ฃ=
๐
๐ ๐ (
๐๐ฃ
๐๐)๐=
๐
๐ ๐ผ๐ =
1
๐ฃ(๐๐ฃ
๐๐)๐=
๐
๐ ๐
๐
๐=
1
๐
13. Processo isotermo reversibile (derivazione di kT e della legge di Boyle). (Da dimostrare e commentare) Consideriamo un processo isotermo reversibile. Durante tale processo il sistema รจ mantenuto a temperatura costante poichรฉ in contatto con un serbatoio termico a temperatura costante. Si misuri quindi la variazione di pressione del sistema per unโassegnata variazione di volume. Facendo per esempio espandere il sistema in maniera molto lenta, tramite dunque un processo quasi statico, il sistema scambia reversibilmente ๐๐๐๐๐ฃ
con lโambiente. La grandezza fisica che si puรฒ stimare durante questo processo รจ nota come coefficiente di comprimibilitร isoterma, funzione di temperatura e pressione con gli altri tre coefficienti:
๐๐ = โ1
๐ฃ(๐๐ฃ
๐๐)๐
Per un gas ideale si ha: ๐ฃ =๐ ๐
๐ (
๐๐ฃ
๐๐)๐= โ
๐ ๐
๐2 ๐๐ = โ
1
๐ฃ(๐๐ฃ
๐๐)๐= โ
๐ ๐
๐โ (โ
๐ ๐
๐2) =
1
๐
La variazione di pressione per una determinata variazione di volume, lungo una trasformazione isoterma puรฒ essere determinata considerando il differenziale della funzione T=T(P,v), cosรฌ che:
๐๐ = (๐๐
๐๐)๐ฃ๐๐ + (
๐๐
๐๐ฃ)๐๐๐ฃ
๐๐ = โ
โ = (๐๐
๐๐)๐ฃ๐๐ + (
๐๐
๐๐ฃ)๐๐๐ฃ
๐๐๐ผ๐๐๐ +
1
๐ฃ๐ผ๐๐๐ฃ = โ
๐๐ =๐ผ๐
๐๐โ (โ
1
๐ฃ๐ผ๐)๐๐ฃ = โ
1
๐ฃ๐๐๐๐ฃ
Per un gas ideale Pv=RT, ๐ผ๐ = 1/๐ e ๐๐ = 1/๐ si ha che:
๐
๐๐๐ +
๐
๐ฃ๐๐ฃ = โ
๐๐
๐+๐๐ฃ
๐ฃ= โ
โซ๐๐
๐+ โซ
๐๐ฃ
๐ฃ= โ
log ๐ + log ๐ฃ = ๐๐๐ ๐ก
๐๐ฃ = ๐๐๐ ๐ก
14. Legge di Mayer generalizzata e sua declinazione per i gas ideali. (Da dimostrare e commentare) La legge di Mayer รจ il legame tra calore specifico a volume costante e calore specifico a pressione constate, entrambi funzione di T e P. Partendo dalla definizione di cv si ha:
๐๐ฃ = (๐๐๐๐๐ฃ๐๐
)๐= ๐ (
๐๐
๐๐)๐= ๐
๐(๐ , ๐ฃ)
๐(๐, ๐ฃ)= ๐
๐(๐ , ๐ฃ)
๐(๐, ๐)โ๐(๐, ๐)
๐(๐, ๐ฃ)= (
๐๐
๐๐ฃ)๐โ๐(๐ , ๐ฃ)
๐(๐, ๐)๐ = โ
๐
๐ฃ๐๐
๐(๐ , ๐ฃ)
๐(๐, ๐)
Sviluppiamo ora questo jacobiano residuo:
๐(๐ , ๐ฃ)
๐(๐, ๐)= ||
(๐๐
๐๐)๐
(๐๐
๐๐)๐
(๐๐ฃ
๐๐)๐
(๐๐ฃ
๐๐)๐
|| = (๐๐
๐๐)๐โ (๐๐ฃ
๐๐)๐โ (
๐๐
๐๐)๐โ (๐๐ฃ
๐๐)๐=
=๐
๐(๐๐
๐๐)๐โ๐ฃ
๐ฃ(๐๐ฃ
๐๐)๐โ [โ(
๐๐ฃ
๐๐)๐โ (๐๐ฃ
๐๐)๐] = โ
๐๐
๐๐ฃ๐๐ + ๐ฃ
2๐ผ๐2
Quindi si ha che:
๐๐ฃ = โ๐
๐ฃ๐๐โ (โ
๐๐
๐๐ฃ๐๐ + ๐ฃ
2๐ผ๐2) = ๐๐ โ
๐๐ฃ๐ผ๐2
๐๐
Per i gas ideali invece:
๐๐ฃ = ๐๐ โ๐๐ฃ๐
๐2= ๐๐ โ
๐ ๐
๐= ๐๐ โ ๐
๐๐ = ๐๐ฃ + ๐
15. Variazione di volume adiabatica reversibile ed applicazione ai gas ideali. (Da dimostrare e commentare) Si prenda ora in considerazione il sistema cilindro-pistone che scambia lavoro in modo reversibile con lโambiente. Durante questo processo si misurano le variazioni di volume e pressione del sistema e dunque lโentropia puรฒ essere descritta come funzione di queste due variabili. Il processo รจ adiabatico e quasistatico quindi ๐๐ = โ :
๐ = ๐(๐, ๐)
๐๐ = (๐๐
๐๐)๐ฃ๐๐ + (
๐๐
๐๐ฃ)๐๐๐ฃ
โ = (๐๐
๐๐)๐ฃ๐๐ + (
๐๐
๐๐ฃ)๐๐๐ฃ
โ = โ(๐๐ฃ
๐๐)๐ ๐๐ + (
๐๐
๐๐)๐ ๐๐ฃ
Utilizzando le proprietร del jacobiano e sviluppando il primo termine dellโequazione si ottiene che:
โ(๐๐ฃ
๐๐)๐ = โ
๐(๐ฃ, ๐ )
๐(๐, ๐ )=๐(๐ฃ, ๐ )
๐(๐ , ๐)โ๐(๐ฃ, ๐)
๐(๐ฃ, ๐)=๐(๐ฃ, ๐ )
๐(๐ฃ, ๐)โ๐(๐ฃ, ๐)
๐(๐ , ๐)= (
๐๐
๐๐)๐ฃ
๐
๐ (๐๐ฃ
๐๐ )๐
(๐๐ฃ
๐๐ )๐= (
๐๐
๐๐)๐=๐(๐, ๐ฃ)
๐(๐, ๐ฃ)โ๐(๐, ๐)
๐(๐, ๐)=๐(๐ฃ, ๐)
๐(๐, ๐ฃ๐)โ๐(๐, ๐)
๐(๐ฃ, ๐)= โ (
๐๐ฃ
๐๐)๐(๐๐
๐๐ฃ)๐
(๐๐
๐๐)๐= ๐ฃ๐๐ โ
1
๐ฃ๐ผ๐
โ(๐๐ฃ
๐๐)๐ =๐๐ฃ๐
๐๐๐ผ๐
Il secondo termine (๐๐
๐๐)๐ dellโequazione puรฒ invece essere sviluppato come:
๐(๐, ๐ )
๐(๐, ๐ )โ๐(๐, ๐)
๐(๐, ๐)=๐(๐, ๐)
๐( ๐, ๐ )โ๐(๐, ๐ )
๐(๐, ๐)= โ
๐(๐, ๐)
๐( ๐, ๐ )โ๐(๐ , ๐)
๐( ๐, ๐)=
= โ(๐๐
๐๐ )๐โ (๐๐
๐๐)๐= (
๐๐
๐๐ฃ)๐
๐ฃ
๐ฃโ๐ก
๐ก(๐๐
๐๐)๐=
1
๐ฃ๐ผ๐โ๐๐
๐=
๐๐
๐๐ฃ๐ผ๐
Lโespressione inziale diventa allora:
โ =๐๐ฃ๐
๐๐๐ผ๐๐๐ +
๐๐
๐๐ฃ๐ผ๐๐๐ฃ
Per i gas ideali si ha quindi che:
โ =๐๐ฃ๐
๐
๐๐๐ +
๐๐๐
๐๐ฃ๐๐ฃ
โ = ๐๐ฃ๐๐
๐+ ๐๐
๐๐ฃ
๐ฃ
16. Processo isoenergetico e sue conseguenze sul comportamento dei gas ideali. (Da dimostrare e commentare) In un processo isoenergetico il calore ed il lavoro scambiati dal sistema sono uguali ed opposti quindi si avrร che ๐๐๐๐๐ฃ = โ๐๐๐๐๐ฃ e dunque la variazione di energia interna sarร nulla. Calcolando ora la variazione di temperatura come funzione della variazione di volume si ha che:
โ๐ = ๐๐ โ ๐๐ = ๐(๐, ๐๐) โ ๐(๐, ๐๐)
๐ = ๐(๐, ๐)
๐๐ = (๐๐
๐๐)๐๐๐ + (
๐๐
๐๐)๐๐๐ = (
๐๐
๐๐)๐๐๐
(๐๐
๐๐)๐=๐(๐, ๐)
๐(๐,๐)โ๐(๐, ๐)
๐(๐, ๐)=๐(๐, ๐)
๐(๐, ๐)โ๐(๐, ๐)
๐(๐,๐)= โ
๐(๐, ๐)
๐( ๐, ๐)โ๐(๐, ๐)
๐( ๐, ๐)=
= [โ๐(๐, ๐)
๐( ๐, ๐)] . [๐(๐, ๐)
๐( ๐, ๐) ] = โ(
๐๐
๐๐)๐: (๐๐
๐๐)๐= โ[
๐๐๐ โ ๐๐๐
๐๐]๐: [๐ (
๐๐
๐๐)๐] =
= [๐ โ ๐ (๐๐
๐๐)๐] : [๐ (
๐๐
๐๐)๐] = [๐ โ
๐๐ผ๐
๐๐] : ๐๐ฃ =
๐ โ๐๐ผ๐๐๐
๐๐ฃ
Per i gas ideali: ๐ผ๐ =1
๐ ๐๐ =
1
๐ (
๐๐
๐๐)๐= 0
Dunque la temperatura di un gas ideale non cambia se lโenergia interna รจ costante.
17. Coefficiente di Joule-Thomson, significato fisico e conseguenze, grafico T-P e curva dโinversione. Ricavato utilizzando un deflusso reversibile di una sostanza in sistema chiuso ed adiabatico oppure con deflusso irreversibile di una sostanza in sistema aperto ed adiabatico. (Da dimostrare e commentare) Il coefficiente di Joule-Thomson per un gas a temperatura T e pressione P รจ definito come la variazione infinitesima di temperatura dovuta ad una variazione infinitesima di pressione quando il gas รจ sottoposto a unโespansione o una compressione isoentalpica. ร possibile analizzare i due diversi tale per cui si ottiene una espansione o una compressione isoentalpica:
Deflusso reversibile: ๐ = 0
๐๐ = โ๐๐
๐2 โ ๐1 = โ(๐2 โ๐1)
๐2 โ ๐1 = โ(๐2๐2 โ ๐1๐1)
๐2 + ๐2๐2 = ๐1 + ๐1๐1
๐ป2 = ๐ป1
Deflusso irreversibile:
๏ฟฝฬ๏ฟฝ [(โ1 โ โ2) + ๐(๐ง1 โ ๐ง2) +๐ค12
2โ๐ค22
2] + ๏ฟฝฬ๏ฟฝ โ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = 0
โ1 โ โ2 = 0
โ1 = โ2 Il coefficiente di Joule si ricava:
๐ฟ = (๐๐
๐๐)โ=๐(๐, โ)
๐(๐, ๐)=๐(๐, โ)
๐(๐, ๐)โ๐(๐, ๐)
๐(๐, โ)= โ(
๐โ
๐๐)๐โ (๐๐
๐โ)๐= โ
(๐โ๐๐)๐
(๐โ๐๐)๐
= โ๐ (๐๐ ๐๐)๐+ ๐ฃ (
๐๐๐๐)๐
๐ (๐๐ ๐๐)๐+ ๐ฃ (
๐๐๐๐)๐
= โ๐ (๐๐ ๐๐)๐+ ๐ฃ
๐๐
โ(๐๐ฃ
๐๐)๐= (
๐๐
๐๐)๐
๐ฟ = โโ๐ (
๐๐ฃ๐๐)๐+ ๐ฃ
๐๐=๐๐ฃ๐ผ๐ + ๐ฃ
๐๐= ๐ฃ
๐ผ๐๐ โ 1
๐๐
18. Sostanze pure: superficie P-V-T e diagrammi T-V e P-V. Descrivere zone di esistenza di uno, due e tre stati di aggregazione.
19. Miscele sature di liquido e vapore: regola della leva e proprietร . Sotto la campana del digramma P-V e T-V delle sostanze pure sono presenti le miscele sature di liquido-vapore. Le quantitร relative di liquido e vapore presenti in tali miscele sono definite dal tiolo x della miscela stessa e possono essere ricavate a partire dalla regola della leva:
๐ฅ =๐ด๐ตฬ ฬ ฬ ฬ
๐ด๐ถฬ ฬ ฬ ฬ
Tramite il titolo della miscela e le tabelle di saturazione liquido-vapore dellโacqua รจ possibile ricavare tute le grandezze che caratterizzano tale miscela. ร inoltre importante sottolineare che tutte le trasformazioni sotto la campana sono di tipo isotermobariche.
20. Diagramma P-T ed Equazione di Clausius-Clapeyron. Lโequazione di Clausius-Clapeyron descrive la variazione della pressione in relazione alla temperatura lungo la curva di equilibrio tra due fasi di una stessa sostanza.
๐๐
๐๐=
๐
๐โ๐ฃ
21. Diagrammi T-s ed h-s per una sostanza pura.
22. Regola delle fasi o di Gibbs, gradi di libertร di un sistema termodinamico allโequilibrio. Si consideri un sistema multifase (M fasi ed r componenti), in cui ogni fase รจ separata dalle altre da superfici di discontinuitร non vincolate. Le condizioni di equilibrio sono date dalle seguenti (r+2)(M-1) equazioni:
ยญ Equilibrio termico ๐โฒ = ๐โฒโฒ = โฏ = ๐(๐)
ยญ Equilibrio meccanico ๐โฒ = ๐โฒโฒ = โฏ = ๐(๐)
ยญ Equilibrio chimico ๐1โฒ = ๐1
โฒโฒ = โฏ = ๐1(๐) ๐๐
โฒ = ๐๐โฒโฒ = โฏ = ๐๐
(๐) Lo stato di equilibrio del sistema รจ completamente definito utilizzando M(r+2) variabili; dโaltra parte per ogni fase sussiste la relazione di Gibbs-Duhem per cui il numero di variabili di riduce a M(r+1). Le condizioni di equilibrio sono quindi definite da un sistema di (r+2)(M-1) equazioni che devono essere soddisfatte da M(r+1) variabili. Affinchรฉ tale sistema ammetta soluzioni รจ necessario che il numero di equazioni non sia superiore al numero di incognite. Risulta allora:
(๐ + 2)(๐ โ 1) โค ๐(๐ + 1)
๐๐ โ ๐ + 2๐ โ 2 โค ๐๐ +๐
2๐ โ๐ โค ๐ + 2
๐ โค ๐ + 2 In altri termini, in un sistema costituito da r componenti, non piรน di (r+2) fasi possono coesistere allโequilibrio. Se il numero M di fasi รจ minore di r+2 risulta che r+2-m variabili intensive possono assumere valori arbitrari. Vale a dire che si possono variare arbitrariamente r+2-M variabili senza pregiudicare lโesistenza di una condizione di equilibrio con quelle fasi per il sistema; evidentemente gli altri parametri varieranno in modo ben determinato. Il numero di parametri che si possono variare arbitrariamente viene detto numero di gradi di libertร o varianza del sistema. Indicano con la lettera f tale numero, la regola delle fasi puรฒ essere riscritta come:
๐ = ๐ + 2 โ๐
23. Proprietร dei liquidi e dei solidi ideali. Se i liquidi e i solidi sono ideali allora possono essere considerati come incomprimibili ed indilatabili e quindi avranno ๐๐ = 0 e ๐ผ๐ = 0. Tali sostanze godono di alcune proprietร come:
ยญ ๐๐ฃ = ๐๐ = ๐
ยญ ๐๐ข = ๐๐๐
ยญ ๐๐ =๐๐๐
๐
ยญ ๐โ = ๐๐๐ + ๐ฃ๐๐ โ ๐๐๐ ๐ฃ๐๐ โช ๐๐๐
24. Formule approssimate per il calcolo delle proprietร termodinamiche (h ed s principalmente) per le sostanze pure. Per le sostanze pure le proprietร come H ed S sono valutate a partire da uno stato di riferimento. Solitamente si considera come riferimento il punto triplo sul diagramma P-T della fase liquida e quindi:
ยญ Processi isobari: ๐โ = ๐๐ ๐๐ =๐๐
๐
ยญ Processi isotermi: ๐โ = ๐ฃ๐๐ ๐๐ = 0
25. Differenza tra gas e vapore, condizioni necessarie per poter considerare un gas a comportamento ideale (fattore di comprimibilitร Z e sua deviazione in funzione di P e T). Si definisce gas una specie chimica gassosa che si trova al di sopra della sua temperatura critica. Si definisce invece vapore una specie chimica gassosa che si trova ad una temperatura inferiore rispetto a quella critica. Fissate i valori delle temperature e delle pressioni si definisce fattore di comprimibilitร Z il valore che indica come un gas reale si discosta dal comportamento ideale. Esso รจ definito come:
๐ =๐๐ฃ
๐ ๐=๐ฃ๐๐๐ก๐ข๐๐๐ฃ๐๐๐๐๐
Piรน Z รจ diverso da 1 piรน il gas si discosta dal comportamento ideale. In generale i gas si comportano come ideali per bassi valori di densitร e dunque per elevate temperature e basse pressioni.
26. Sapendo che per un gas perfetto vale du = cV dT, dimostrare che vale anche dh = cP dT
๐๐ข = ๐๐ฃ๐๐ = (๐๐ โ ๐ )๐๐
๐โ = ๐๐ข + ๐๐๐ + ๐๐๐ =
= ๐๐ฃ๐๐ + ๐๐๐ + ๐๐๐ = (๐๐ โ ๐ )๐๐ + ๐๐๐ + ๐๐๐ =
= ๐๐๐๐ โ ๐ ๐๐ + ๐๐๐ + ๐๐๐ = ๐๐๐๐ โ ๐๐๐ โ ๐๐๐ + ๐๐๐ + ๐๐๐ = ๐๐๐๐
๐๐ = ๐ ๐ ๐ ๐๐ = ๐๐๐ + ๐๐๐
27. Le espressioni delle variazioni di entalpia ed entropia specifica per un gas ideale in funzione di P e T.
โ๐ป = ๐๐๐โ๐ โโ = ๐๐โ๐
โ๐ = ๐๐๐ ln๐2
๐1โ๐๐ โ ln
๐2
๐1 โ๐ = ๐๐ ln
๐2
๐1โ ๐ โ ln
๐2
๐1
28. Le espressioni delle variazioni di entalpia ed entropia specifica per un liquido ideale in funzione di P e T.
โ๐ = ๐ ln๐๐๐๐๐๐๐
โ๐ข = โโ = ๐โ๐
29. Dimostrare che nel piano T-s le curve isocore sono sempre piรน pendenti delle curve isobare.
Le isobare sono descritte da: (๐๐
๐๐)๐=
๐
๐๐
Le isocore sono descritte da: (๐๐
๐๐)๐=
๐
๐๐
๐๐ > ๐๐
๐
๐๐<๐
๐๐
30. Scrivere le equazioni di partenza e le ipotesi necessarie per ricavare l'equazione generale delle trasformazioni politropiche. Introduciamo le politropiche come conseguenza della variazione di volume adiabatica reversibile in un sistema cilindro-pistone che scambia lavoro in modo reversibile con lโambiente attraverso un processo quasistatico. Le due ipotesi di partenza sono dunque considerare una variazione do volume adiabatica e un processo quasistatico:
โ = (๐๐
๐๐)๐ฃ๐๐ + (
๐๐
๐๐ฃ)๐๐๐ฃ
โ =๐๐ฃ๐
๐๐๐ผ๐๐๐ +
๐๐
๐๐ฃ๐ผ๐๐๐ฃ
Per i gas ideali si ha quindi che:
โ =๐๐ฃ๐
๐
๐๐๐ +
๐๐๐
๐๐ฃ๐๐ฃ
โ = ๐๐ฃ๐๐
๐+ ๐๐
๐๐ฃ
๐ฃ
Integrando si ottiene:
๐๐ฃโซ๐๐
๐+ ๐๐โซ
๐๐ฃ
๐ฃ= โ
๐๐ฃ ln ๐ + ๐๐ ln ๐ฃ = ๐๐๐ ๐ก
๐๐ฃ๐๐๐๐ฃ = ๐๐๐ ๐ก
๐๐๐๐ฃ= ๐
31. Descrivere le condizioni in cui un gas puรฒ essere trattato come ideale; riportare un'equazione di stato di un modello di gas reale e descrivere il significato fisico dei termini che vi appaiono. Un gas puรฒ essere trattato come ideale quando ha fattore di comprimibilitร pari a 1 o quando ha densitร basse (elevate temperature e basse pressione). Unโequazione di stato di un gas reale รจ lโequazione di Van der Walls. Tale modello introduce due effetti non presenti nel modello del gas ideale: le forze di attrazione intermolecolari ed il volume occupato dalle molecole stesse. Lโincertezza dei risultati ottenuta applicando tale equazione รจ spesso inadeguata:
(๐ +๐
๐ฃ2) (๐ฃ โ ๐) = ๐ ๐
32. Espressione per il calcolo dellโumiditร relativa di unโaria umida. Lโaria umida รจ una miscela di aria secca e vapore acqueo. Lโespressione per il calcolo dellโumiditร relativa di unโaria umida รจ:
๐ =๐๐ฃ
๐๐ ๐๐ก ๐ =
๐ฅ
๐ฅ๐ = ๐
๐โ๐๐ ๐๐ก
๐โ๐๐ฃ
33. La relazione tra umiditร assoluta ed umiditร relativa per unโaria umida.
๐ฅ =๐๐ฃ
๐๐=๐๐๐ฃ๐๐ฃ๐๐๐๐๐
=18,013
28,96
๐๐ฃ๐๐= 0,622
๐๐ฃ๐ โ ๐๐ฃ
= 0,622๐๐๐ ๐๐ก
๐ โ ๐๐๐ ๐๐ก
๐๐ฃ๐๐=๐๐ฃ๐๐
๐๐ = ๐ โ ๐๐ฃ ๐ =๐๐ฃ
๐๐ ๐๐ก ๐๐ฃ = ๐๐๐ ๐๐ก
34. Scrivere lโespressione dellโentalpia per unโaria umida, indicando il significato dei termini che vi compaiono.
๐ป = ๐ป๐ +๐ป๐ฃ = ๐๐โ๐โ +๐๐ฃโ๐ฃ
โ = ๐๐โ๐โ + ๐ฅ๐๐โ๐ฃ
โ
๐ฅ =๐๐ฃ
๐๐๐
โโ =๐ป
๐๐=๐๐โ๐
โ + ๐ฅ๐๐โ๐ฃโ
๐๐= โ๐
โ + ๐ฅโ๐ฃโ
โ๐ฃโ = โ + ๐๐ฮ๐ = 2501,6 + 4
8,314
18,013๐ก = 2501,6 + 1,846๐ก
โ๐โ = ๐๐ฮ๐ =
7
2
8,314
28,96๐ก = 1,005๐ก
35. Il diagramma di Mollier per lโaria umida. Disegnare e commentare. Il diagramma di Mollier รจ un diagramma termodinamico che rappresenta lโentalpia di un sistema in funzione dellโumiditร assoluta dellโaria umida
36. Miscelazione di due arie umide (caso omogeneo o caso eterogeneo). Nella miscelazione di due arie umide si conserva la massa totale di vapore. Dunque procedendo con i bilanci possibili si ottiene:
{๐๐1๐ฅ1 +๐๐2๐ฅ2 = (๐๐1 +๐๐2)๐ฅ๐๐๐1โ1 +๐๐2โ2 = (๐๐1 +๐๐2)โ๐
ร dunque possibile ricavare lโumiditร assoluta della miscela finale e la sua entalpia:
๐ฅ๐ =๐๐1๐ฅ1 +๐๐2๐ฅ2๐๐1 +๐๐2
โ๐ =๐๐1โ1 +๐๐2โ2๐๐1 +๐๐2
Il punto m che rappresenta la miscela finale puรฒ appartenere a due differenti zone del diagramma di Mollier: ยญ Zona omogenea: la miscela finale sarร costituita da sola aria umida ยญ Zona eterogenea: la miscela finale condenserร e dunque oltre allโaria umida si avrร del condensato. Tale
porzione del grafico รจ anche nota come zona delle nebbie
37. Bilancio di massa e di energia per un sistema aperto allo scambio di massa ed in regime stazionario. Nella sua rappresentazione piรน semplice un sistema aperto รจ schematizzabile come un condotto delimitato da due aperture, una dโingresso e una dโuscita del fluido, e di una semplice chiusura laterale volta allo scambio di massa. Tutto il contorno della superficie del sistema รจ detta superficie di controllo. Il bilancio di massa di un sistema aperto risulta essere:
โ๐๐ฬ
๐
๐=1
= โ๐๐ฬ
๐
๐=1
Mentre il bilancio energetico di un sistema, che tiene conto dellโenergia associata al fluido di massa che attraversa il condotto in entrata e in uscita, dellโenergia termica che attraversa il contorno del sistema e dellโenergia meccanica per unitร di tempo, risulta essere:
๏ฟฝฬ๏ฟฝ [(โ1โ โ โ2
โ) + ๐(๐ง1 โ ๐ง2) +๐ค12
2โ๐ค22
2] + ๏ฟฝฬ๏ฟฝ โ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = 0
38. Bilancio entropico per un generico sistema fluente in regime stazionario.
๏ฟฝฬ๏ฟฝ(๐ 1โ โ ๐ 2
โ) + ๐๏ฟฝฬ๏ฟฝ + ๐๐๐๐ฬ = 0
39. Applicazione del bilancio energetico ed entropico a turbine e compressori. ร possibile considerare sia le turbine che i compressori come macchine adiabatiche ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = 0 ed inoltre รจ possibile trascurare i contributi di energia cinetica, potenziale, dunque il bilancio energetico e quello entropico risultano essere:
๏ฟฝฬ๏ฟฝ(โ1โ โ โ2
โ) โ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = 0
๏ฟฝฬ๏ฟฝ(๐ 1โ โ ๐ 2
โ) + ๐๐๐๐ฬ = 0
40. Applicazione del bilancio energetico ed entropico alla laminazione isoentalpica e sue conseguenze su P e T. Nella laminazione isoentalpica il bilancio energetico ed entropico risulta essere:
โ1โ = โ2
โ
๐ 1โ โค ๐ 2
โ
Da tali bilanci ne consegue che un qualsiasi fluido che attraversa una laminazione isoentalpica si espanderร sempre:
๐โ = ๐๐๐ + ๐๐๐
0 = โซ๐โ = โซ๐๐๐ +โซ๐๐๐
โโซ ๐๐๐2
1
= โซ ๐๐๐2
1
๐ > 0 ๐๐ > 0 โ โโซ ๐๐๐2
1
< 0 โ โซ ๐๐๐2
1
< 0
๐๐๐ < 0
๐2 โ ๐1 < 0
๐2 < ๐1
41. Bilancio energetico ed entropico per una macchina termodinamica motrice reversibile. Con il termine macchina termodinamica motrice si intende un sistema composto da unโopportuna combinazione di sottosistemi elementari che ha come funzione la conversione termodinamica di energia termica in lavoro:
๐๐ป โ ๐๐ถ โ ๐ฟ = 0
โ๐๐ป๐๐ป
+๐๐ถ๐๐ถ= 0
42. Bilancio energetico ed entropico per una macchina termodinamica motrice irreversibile. Con il termine macchina termodinamica motrice si intende un sistema composto da unโopportuna combinazione di sottosistemi elementari che ha come funzione la conversione termodinamica di energia termica in lavoro:
๐๐ป โ ๐๐ถ โ ๐ฟ = 0
โ๐๐ป๐๐ป
+๐๐ถ๐๐ถ= ๐๐๐๐
43. Bilancio energetico ed entropico per una macchina termodinamica operatrice reversibile. Con il termine macchina termodinamica operatrice si intende un sistema composto da unโopportuna combinazione di sottosistemi elementari che ha come funzione il trasferimento di energia termica da uno o piรน serbatoi di calore a temperatura inferiore a uno o piรน serbatoi a temperatura superiore:
โ๐๐ป + ๐๐ถ + ๐ฟ = 0
+๐๐ป๐๐ป
โ๐๐ถ๐๐ถ= 0
44. Bilancio energetico ed entropico per una macchina termodinamica operatrice irreversibile Con il termine macchina termodinamica operatrice si intende un sistema composto da unโopportuna combinazione di sottosistemi elementari che ha come funzione il trasferimento di energia termica da uno o piรน serbatoi di calore a temperatura inferiore a uno o piรน serbatoi a temperatura superiore:
โ๐๐ป + ๐๐ถ + ๐ฟ = 0
+๐๐ป๐๐ป
โ๐๐ถ๐๐ถ= ๐๐๐๐
45. Definizione di COP per macchina termodinamica operatrice che lavora come frigorifero. Si definisce COP, coefficient of performace, il parametro di merito cioรจ il rapporto tra lโeffetto utile fratto la spesa. Tale valore รจ anche noto come efficienza della macchina frigorifera e si calcola come:
ํ๐ =๐๐ถ๐
46. Il rendimento di secondo principio per macchine motrici o operatrici. Il rendimento di secondo principio rappresenta la capacitร di un processo di avvicinarsi alle prestazioni del processo ideale:
ยญ Macchina motrice: ๐๐ผ๐ผ =๐ฟ๐๐๐๐๐
๐ฟ๐๐๐๐๐๐=
๐
๐๐๐๐ฃ
ยญ Macchina operatrice (frigorifero): ๐๐ผ๐ผ =๐ฟ๐๐๐๐๐๐
๐ฟ๐๐๐๐๐
ยญ Macchina operatrice (pompa di calore): ๐๐ผ๐ผ =๐ฟ๐๐๐๐๐๐
๐ฟ๐๐๐๐๐
47. Esprimere il rendimento di un ciclo Joule diretto in funzione di scambi energetici, temperature, rapporto di compressione. Il ciclo Joule รจ un ciclo costituito da 2 isobare e da 2 isoentropiche.
Rapporto di compressione: ๐ฝ =๐๐๐๐ฅ
๐๐๐๐=
๐2
๐1=
๐3
๐4
Calore entrante: ๐๐ = ๐23 = โ3 โ โ2 = ๐๐(๐3 โ ๐2)
Calore uscente: ๐๐ข = โ๐41 = โ(โ1 โ โ4) = ๐๐(๐4 โ ๐1)
๐JouleโBrayton =๐๐๐๐ก๐ก๐
๐๐=๐๐ โ ๐๐ข๐๐
= 1 โ๐๐ข๐๐= 1 โ
๐๐(๐4 โ ๐1)
๐๐(๐3 โ ๐2)= 1 โ
๐1 (๐4๐1โ 1)
๐2 (๐3๐2โ 1)
๐11โ๐๐1
๐ = ๐21โ๐๐2
๐
๐1
1โ๐๐ ๐1 = ๐2
1โ๐๐ ๐2
๐1๐2= (
๐2๐1)
1โ๐๐= (
๐3๐4)
1โ๐๐= ๐ฝ
1โ๐๐ =
1
๐ฝ๐โ1๐
=๐4๐3
๐JouleโBrayton = 1 โ๐1 (
๐4๐1โ 1)
๐2 (๐3๐2โ 1)
= 1 โ๐1๐2= 1 โ ๐ฝ
1โ๐๐ = 1โ
1
๐ฝ๐โ1๐
48. Metodi per aumentare il rendimento di un ciclo Joule. Il rendimento di ciclo Joule puรฒ essere migliorato tramite: ยญ Aumento della temperatura di combustione e/o di ingresso in turbina ยญ Aumento dellโefficienza delle macchine quali turbina e compressione ยญ Modifica del ciclo base tramite:
* Interrefrigerazione = permette di raffreddare lโaria in uscita dal compressore e quindi diminuisce il lavoro richiesto per comprimere il gas * Rigenerazione = riscalda il fluido ad alta pressione in uscita dal compressore utilizzando il fluido in uscita dalla turbina * Ricombustione = fornisce entalpia maggiore allโingresso della turbina
49. Confronto tra ciclo Otto e ciclo Diesel. Il ciclo Otto รจ un ciclo termodinamico costituito da due isovolumiche e da due isoentalpiche mentre quello Diesel รจ costituito da unโisobara, una isovolumica e due isoentropiche. Entrambi tali cicli conservano quindi le due adiabatiche. Il ciclo Otto รจ simmetrico mentre il ciclo Diesel no. Entrambi possono lavorare con un sistema cilindro-pistone e sono entrambi cicli a gas.
50. Ciclo Rankine motore: diagramma termodinamico, schema dโimpianto, bilanci energetici. Il ciclo Rankine รจ un ciclo termodinamico composto da due adiabatiche e due isobare:
Pompa ๐๐,๐ = โ2 โ โ1 โ ๐ฃ1(๐2 โ ๐1)
Caldaia ๐๐ = โ3 โ โ2 Turbina ๐๐ก,๐ข = โ3 โ โ4
Condensatore ๐๐ข = โ4 โ โ1
51. Riportare sul diagramma T,s un ciclo Rankine inverso reale e scrivere le espressioni (in funzione di opportuni potenziali termodinamici) dei COP associati all'utilizzo del ciclo come macchina frigorifera e pompa di calore. 1-2) Compressione isoentropica ๐ค๐,๐ = โ2 โ โ1 โ ๐ฃ1(๐2 โ ๐1)
2-3) Raffreddamento isobaro: ๐๐ข = โ2 โ โ3 3-4) Laminazione isoentalpica: ๐ค๐ก,๐ข = โ3 โ โ4
4-1) evaporazione isotermobarica: ๐๐ = โ1 โ โ4
Rendimento pdc: ํ๐๐๐ =๐๐ข
๐๐,๐=
โ2โโ3
โ2โโ1=
โ(โ3โโ2)
โ2โโ1
Rendimento f: ํ๐ =๐๐
๐๐,๐=
โ1โโ4
โ2โโ1
52. Lโespressione del rendimento isoentropico di un compressore nel caso di gas ideale, in funzione delle temperature ad inizio e fine compressione
๐๐๐ =ฮโ๐๐ ฮโ
=๐๐ฮ๐๐๐
๐๐ฮ๐=๐2๐๐ โ ๐1๐2 โ ๐1
53. Lโespressione del rendimento isoentropico di una turbina nel caso di gas ideale, in funzione delle temperature ad inizio e fine espansione
๐๐๐ =ฮโ
ฮโ๐๐ =๐๐ฮ๐
๐๐ฮ๐๐๐ =๐2 โ ๐1๐2๐๐ โ ๐1
54. Il postulato di Fourier. Il postulato di Fourier รจ lโequazione della conduzione termica vale:
๐ผโ2๐ =๐๐
๐๐ก
55. Lโequazione generale della conduzione: vari casi (Laplace, Poisson, Fourier), condizioni necessarie per la sua integrazione. Lโequazione generale della conduzione รจ:
๐ผโ2๐ +๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐๐๐โ =
๐๐
๐๐ก
A partire da tale equazione รจ possibile distinguere vari casi:
ยญ Regime stazionario: ๐๐
๐๐ก= โ โ2๐ +
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐= โ Eq. Poisson
ยญ Senza generazione di potenza: ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ = โ ๐ผโ2๐ =๐๐
๐๐ก Eq. Fourier
ยญ Senza generazione di potenza e in regime stazionario: ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ = โ , ๐๐
๐๐ก= โ โ2๐ = โ Eq. Laplace
Le condizioni generali per lโintegrazione sono: ยญ Condizione temporale (Dirichlet): si conosce il valore della temperatura di una superficie
ยญ Condizione spaziale (Neumann): cโรจ un valore fisso o costante del flusso ๐๐ โฒโฒฬ sulla superficie
56. Lโespressione della conduzione del calore attraverso un cilindro cavo a sezione circolare, in funzione delle temperature dei fluidi che ne lambiscono le due superfici.
{๐1
๐
๐
๐๐(๐๐๐
๐๐) = 0
๐(๐ = ๐1) = ๐๐ 1๐(๐ = ๐2) = ๐๐ 2
Ricavo lโespressione della temperatura in funzione del raggio:
๐๐๐
๐๐= ๐1
๐๐ =๐1๐๐๐
๐(๐) = ๐1 ln ๐ + ๐2
{
๐(๐) = ๐1 ln ๐ + ๐2๐(๐ = ๐1) = ๐๐ 1๐(๐ = ๐2) = ๐๐ 2
Applico le condizioni al contorno per ricavare le costanti di integrazione:
๐๐ 1 = ๐1 ln ๐1 + ๐2
๐๐ 2 = ๐1 ln ๐2 + ๐2
๐๐ 1 โ ๐๐ 2 = ๐1 ln ๐1 + ๐2 โ (๐1 ln ๐2 + ๐2) = ๐1 ln๐1๐2
๐1 =๐๐ 1 โ ๐๐ 2
ln๐1๐2
๐๐ 1 = ๐1 ln ๐1 + ๐2 =๐๐ 1 โ ๐๐ 2
ln๐1๐2
ln ๐1 + ๐2
๐2 = ๐๐ 1 โ๐๐ 1 โ ๐๐ 2
ln๐1๐2
ln ๐1
๐(๐) =๐๐ 1 โ ๐๐ 2
ln๐1๐2
ln ๐ + ๐๐ 1 โ๐๐ 1 โ ๐๐ 2
ln๐1๐2
ln ๐1 =๐๐ 1 โ ๐๐ 2
ln๐1๐2
ln๐
๐1+ ๐๐ 1
57. Lโespressione della conduzione del calore attraverso una parete costituita da due strati, in funzione delle temperature dei fluidi che ne lambiscono le due facce
{
๐2๐
๐๐ฅ2= 0
๐(๐ฅ = 0) = ๐๐ 1๐(๐ฅ = ๐ ) = ๐๐ 2
Ricavo lโespressione della temperatura in funzione di x:
๐(๐ฅ) = ๐1๐ฅ + ๐2
{
๐(๐ฅ) = ๐1๐ฅ + ๐2๐(๐ฅ = 0) = ๐๐ 1๐(๐ฅ = ๐ ) = ๐๐ 2
Applico le condizioni al contorno per ricavare le costanti di integrazione:
๐๐ 1 = ๐2
๐๐ 2 = ๐1๐ + ๐๐ 1
๐1 =๐๐ 2 โ ๐๐ 1
๐
๐(๐ฅ) =๐๐ 2 โ ๐๐ 1
๐ ๐ฅ + ๐๐ 1
58. Lโequazione generale della conduzione per un mezzo avente conduttivitร costante con la temperatura ed in condizioni stazionarie Lโequazione generale della conduzione per un mezzo avente conduttivitร costante con la temperatura e in condizione stazionarie รจ lโequazione di Laplace:
โ2๐ = โ
59. Scrivere le equazioni di partenza e le ipotesi necessarie per ricavare l'equazione generale della conduzione. Per ricavare lโequazione generale della conduzione รจ necessario effettuare un bilancio energetico considerando un cubettino infinitesimo di materiale isotropo ed omogeneo. Si considerano dunque:
ยญ Energia entrante ๐ธ๐๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ฅ + ๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ฆ + ๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ง
ยญ Energia generata ๐ธ๐๐๐ฬ = ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ๐๐ฅ๐๐ฆ๐๐ง
ยญ Energia uscente ๐ธ๐๐ข๐กฬ = ๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ฅ+๐๐ฅ + ๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ฆ+๐๐ฆ + ๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ง+๐๐ง
ยญ Energia accumulata ๐ธ๐๐๐ฬ = ๐๐๐โ ๐๐
๐๐ก๐๐ฅ๐๐ฆ๐๐ง
๐ธ๐๐ฬ โ ๐ธ๐๐ข๐กฬ + ๐ธ๐๐๐ฬ = ๐ธ๐๐๐ฬ
60. La conduzione in regime variabile: i parametri concentrati e la definizione ed il significato dei gruppi adimensionali Biot e Fourier. In generale in un problema di conduzione in regime variabile la temperatura allโinterno del mezzo solido varierร con la posizione e con il tempo. Esistono perรฒ alcune applicazioni ingegneristiche nelle quali la temperatura puรฒ essere considerata costante dentro al corpo e quindi risulterร che la temperatura sarร funzione del solo tempo. Questa semplificazione รจ nota come metodo dei parametri concentrati. Introduciamo quindi due parametri adimensionali: ยญ Numero di Biot = rappresenta il rapporto tra la resistenza conduttiva e quella convettiva. Affinchรฉ sia
possibile applicare il metodo dei parametri concentrati tale numero deve essere inferiore a 0,1
๐ต๐ =โ๐ฟ๐๐< 0.1
ยญ Numero di Fourier = rappresenta il tempo adimensionale
๐น๐ =๐ผ๐ก
๐ฟ๐2 ๐ผ =
๐
๐๐โ
61. La definizione ed il significato di tre gruppi adimensionali a piacere. ยญ Numero di Reynolds = serve ad individuare il regime di moto. Tale numero tiene conto delle proprietร
fisiche del fluido e della sua geometrica:
๐ ๐ =๐๐ค๐ฟ๐๐
ยญ Pr = numero di Prandtl rappresenta il rapporto fra viscositร cinematica (๐) che regola la trasmissione
della quantitร di moto per effetto della viscositร in presenza di un gradiente di velocitร e la diffusivitร termica (D) che regola la trasmissione di calore per sola diffusione termica (conduzione termica) quando esiste un gradiente di temperatura:
๐๐ =๐๐๐
๐๐=๐ฃ
๐ท
ยญ Nu = numero di Nusselt rappresenta il rapporto fra la quantitร di calore trasmesso per convezione e la
quantitร di calore trasmesso per sola conduzione
๐๐ข = ๐ฟโ
๐๐
62. La definizione ed il significato del gruppo adimensionale Pr. Il numero di Prandtl rappresenta il rapporto fra viscositร cinematica (๐) che regola la trasmissione della quantitร di moto per effetto della viscositร in presenza di un gradiente di velocitร e la diffusivitร termica (D) che regola la trasmissione di calore per sola diffusione termica (conduzione termica) quando esiste un gradiente di temperatura:
๐๐ =๐๐๐
๐๐=๐ฃ
๐ท
63. La definizione ed il significato del gruppo adimensionale Re ed il suo utilizzo per classificare il moto dei fluidi. Il numero di Reynolds serve ad individuare il regime di moto. Tale numero tiene conto delle proprietร fisiche del fluido e della sua geometrica:
๐ ๐ =๐๐ค๐ฟ๐๐
In linea generale alti valori di Re corrispondono a moto turbolento, mentre bassi valori del numero di Reynolds descrivono moto laminare. Il punto in cui il flusso da laminare si trasforma in turbolento รจ detto punto critico di Reynolds.
64. Lโespressione del profilo di temperatura in una lastra in stato stazionario soggetta a generazione interna di potenza con temperatura sulle superfici nota e costante.
{
๐2๐
๐๐ฅ2+๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐= 0
๐(โ๐ฟ) = ๐๐ 1๐(๐ฟ) = ๐๐ 2
Ricavo lโespressione della temperatura in funzione di x integrando due volte la prima equazione:
๐2๐
๐๐ฅ2+๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐= 0
โซ๐2๐ = โซโ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐๐๐ฅ2
๐๐ = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐๐ฅ + ๐1
โซ๐๐ = โซโ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐๐ฅ + ๐1
๐(๐ฅ) = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฅ2 + ๐1๐ฅ + ๐2
Applicando ora le condizioni al contorno per ricavare le costanti di integrazione:
๐๐ 1 = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐(โ๐ฟ)2 + ๐1(โ๐ฟ) + ๐2 = โ
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฟ2 โ ๐1๐ฟ + ๐2
๐๐ 2 = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐(๐ฟ)2 + ๐1(๐ฟ) + ๐2 = โ
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฟ2 + ๐1๐ฟ + ๐2
๐๐ 1 โ ๐๐ 2 = โ2๐1๐ฟ
๐1 =โ(๐๐ 1 โ ๐๐ 2)
2๐ฟ=๐๐ 2 โ ๐๐ 12๐ฟ
Sostituendo questo valore a ๐๐ 1 si puรฒ ricavare ๐2:
๐๐ 1 = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฟ2 โ ๐1๐ฟ + ๐2 = โ
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฟ2 โ
๐๐ 2 โ ๐๐ 12๐ฟ
๐ฟ + ๐2
๐2 =๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฟ2 +
๐๐ 1 + ๐๐ 22
Sostituiamo tutto in ๐(๐ฅ):
๐(๐ฅ) = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฅ2 +
๐๐ 2 โ ๐๐ 12๐ฟ
๐ฅ +๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ฟ2 +
๐๐ 1 + ๐๐ 22
=๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐(๐ฟ2 โ ๐ฅ2) +
๐๐ 2 โ ๐๐ 12๐ฟ
๐ฅ +๐๐ 1 + ๐๐ 2
2
65. Determinare i profili generali del flusso termico e della temperatura in funzione del raggio per un cilindro di lunghezza indefinita omogeneo ed isotropo, tramite l'integrazione dellโequazione della conduzione in condizioni stazionarie e con generazione di potenza. Commentare la condizione al contorno in corrispondenza dellโasse del cilindro per cilindri pieni
{
1
๐
๐
๐๐(๐๐๐
๐๐) +
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐= โ
โ๐๐๐
๐๐|๐=โ
= โ
๐(๐ = ๐0) = ๐๐ = ๐๐๐ ๐ก
Ricavo lโespressione della temperatura in funzione del raggio:
โซ๐ (๐๐๐
๐๐) = โโซ
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
๐๐๐๐
๐๐๐
๐๐= โ
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐2 + ๐1
โซ๐๐ = โโซ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ +
๐1๐
๐(๐) = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
4๐๐2 + ๐1 ln ๐ + ๐2
Applichiamo ora le condizioni al contorno per ricavare le costanti di integrazione:
โ๐๐๐
๐๐|๐=โ
= โ โ ๐๐
๐๐(๐ = 0) = 0 = โ
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
2๐๐ +
๐1๐ โ ๐1 = 0
๐(๐ = ๐0) = ๐๐ = ๐๐๐ ๐ก โ ๐๐ = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
4๐๐02 + ๐2 โ ๐2 = ๐๐ +
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
4๐๐02
๐(๐) = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
4๐๐2 + ๐๐ +
๏ฟฝฬ๏ฟฝโฒโฒโฒ
4๐๐02
66. La legge di Wien ed il suo significato La legge di Wien consente di individuare per quale lunghezza dโonda ๐๐๐๐ฅ รจ massima lโemissione radioattiva di un corpo nero di massa generica avente una certa temperatura T:
๐๐๐๐๐ฅ = 2898 ๐๐๐พ
67. La legge di Kirchhoff per corpi opachi La legge di Kirchhoff permette di correlare il coefficiente di assorbimento dellโemissivitร di un corpo. In condizioni di equilibrio termico, cioรจ, lโassorbanza รจ pari allโemissivitร di un corpo:
๐ผ๐ = ํ๐
68. Rappresentare alcune curve del potere emissivo (o emissione monocromatica) di corpo nero in funzione di temperatura e lunghezza dโonda
69. La legge di reciprocitร tra i fattori di vista per due corpi neri
๐ด๐๐น๐๐ = ๐ด๐๐น๐๐ โ ๐ด๐ = ๐ด๐ ๐น๐๐ = ๐น๐๐
70. Lโespressione della potenza termica scambiata per irraggiamento tra due superfici opache che chiudono una cavitร La potenza termica scambiata per irraggiamento tra due superfici opache si calcola come la radiazione termica emessa dalla superficie 1 e intercettata dalla superficie 2 meno la radiazione termica emessa dalla superficie 2 e intercettata dalla superficie 1:
๐12ฬ = ๐ด1๐ฝ1๐น12 โ ๐ด2๐ฝ2๐น21 = ๐ด๐น(๐ฝ1 โ ๐ฝ2) =๐ฝ1 โ ๐ฝ21๐ด๐น
=๐ฝ1 โ ๐ฝ2๐ 12
71. La legge di Newton e le grandezze da cui dipende il coefficiente convettivo La legge di Newton della convezione termica รจ:
๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ดโ(๐๐ ๐ข๐๐๐๐๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐ข๐๐๐)
Dove h รจ il coefficiente di convezione che rappresenta la potenza termica scambiata tra una superficie solida e un fluido in moto relativo e A indica la superficie di scambio. Il coefficiente convettivo dipende da
72. Rappresentare i profili di velocitร e temperatura in fluido che lambisce una parete in convezione forzata
73. Lโespressione della temperatura in funzione del tempo per un sistema durante un transitorio descrivibile a parametri concentrati
๐โ๐๐
๐0โ๐๐= ๐โ
๐ก
๐ = ๐โ๐ต๐โ๐น๐ ๐ = ๐ ๐ถ =1
โ๐ดโ ๐๐๐
74. Rappresentare il profilo di temperatura in una parete piana composta da tre strati A, B, C di identico spessore, sapendo che ๐๐จ > ๐๐ฉ > ๐๐ช Maggiore รจ ๐ minore รจ la pendenza del profilo poichรฉ:
๐๐
๐๐ฅ= โ
๐โฒโฒฬ
๐
75. Scrivere le equazioni che esprimono lo scambio energetico tra i due fluidi in uno scambiatore di calore
Da fluido caldo e freddo: ๐๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐๐ฬ (โ๐๐ข๐ก,๐ โ โ๐๐,๐) = ๐๐ฬ ๐๐๐(๐๐๐ข๐ก,๐ โ ๐๐๐,๐) = ๐ถ๐(๐๐๐ข๐ก,๐ โ ๐๐๐,๐)
Da fluido freddo a caldo: ๐โฬ = ๐โฬ (โ๐๐ข๐ก,โ โ โ๐๐,โ) = ๐โฬ ๐๐โ(๐๐๐ข๐ก,โ โ ๐๐๐,โ) = ๐ถโ(๐๐๐ข๐ก,โ โ ๐๐๐,โ)
76. Il metodo della differenza di temperatura media logaritmica per scambiatori di calore.
La potenza termica scambiata tra i due fluidi viene legata alla differenza di temperatura tra il fluido freddo e il fluido caldo ma questa varia con la posizione allโinterno dello scambiatore e quindi occorre utilizzare una differenza di temperatura opportunamente mediata. Lโequazione di scambio diventa quindi:
๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐๐ดโ๐๐๐
โ๐๐๐ =โ๐๐ขโโ๐๐
lnโ๐๐ขโ๐๐
โ๐๐ข = ๐โ๐๐ก,๐ข โ ๐๐๐๐๐,๐ข โ๐๐ = ๐โ๐๐ก,๐ โ ๐๐๐๐๐,๐