IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

GRUPPO 3: BAINI ELISA, BERTOLINI SARA, CHIODI CRISTINA, FILIPPINI FRANCESCO, NEGRONI UMBERTO

MARIA, SOREGAROLI ELISA, VIVALDI LUCA

A.S. 2006-2007 LICEO SCIENTIFICO ASELLI CLASSE 4 E

IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

GRUPPO 3: BAINI ELISA, BERTOLINI SARA, CHIODI CRISTINA, FILIPPINI FRANCESCO, NEGRONI UMBERTO

MARIA, SOREGAROLI ELISA, VIVALDI LUCA

A.S. 2006-2007 LICEO SCIENTIFICO ASELLI CLASSE 4 E

• Le prime macchine termiche• Sistemi termodinamici• Il secondo principio della termodinamica• Il ciclo di Carnot• Kelvin e Clausius per assurdo• Principio di funzionamento di una macchina

termica• I cicli refrigeranti• APPENDICE: I motori• Sitografia e bibliografia

LE PRIME MACCHINE TERMICHE

• Eolipila• Macchina di Newcomen• Macchina di Watt

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EOLIPILA La prima macchina

termica storicamente nota è l’eolipila del greco Erone d’Alessandria (II secolo a.C.), ma essa era poco più di un giocattolo curioso e non aveva alcuno scopo pratico. In questa macchina il vapore ottenuto riscaldando l’acqua nel recipiente, uscendo dai due bracci, fa muovere la sfera .

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MACCHINA DI NEWCOMEN

• La macchina di Newcomen aveva il grande inconveniente di dover scaldare e raffreddare a ogni ciclo il cilindro e ciò comportava un forte rallentamento del ciclo stesso e un enorme spreco di calore (il suo rendimento infatti non superava mai lo 0.5%).

• L’invenzione che permise di eliminare questo tipo di inconvenienti fu opera di J. Watt nel 1763.

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MACCHINA DI WATT

La fase di condensazione si sviluppa all’esterno del cilindro (permanentemente caldo), in un apposito recipiente (permanentemente freddo) detto condensatore. La modifica di Watt consentì di ottenere rendimenti fino al 4%.

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SISTEMI TERMODINAMICI

• Un sistema termodinamico è una porzione di spazio, separata dal resto dell’universo, cioè dall’ambiente esterno, mediante una superficie di controllo, detta reale o immaginaria, rigida o deformabile, sede di trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno.

SISTEMI TERMODINAMICI

• sistemi isolati: non scambiano calore, materia, lavoro con l'esterno;

• sistemi chiusi: scambiano energia (calore, lavoro), ma non materia con l'esterno. Quando un sistema scambia calore, lavoro o entrambi, lo si può classificare in base alle proprietà del bordo:

o bordo adiabatico: non permette scambio di calore; o bordo rigido: non permette scambio di lavoro; • sistemi aperti: permettono scambio di energia e materia

con l'esterno. Un contorno che permette scambio di materia è detto permeabile (o semipermeabile, se lascia passare solo determinate specie chimiche).

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IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Questo principio fu formulato in 2 diversi modi da Kelvin e da Clausius.

Kelvin:non esiste una trasformazione che abbia come unico risultato finale convertire integralmente calore in lavoro.

Clausius:il calore non passa spontaneamente da un corpo a temperatura inferiore ad uno a temperatura maggiore creato da una sorgente a temperatura costante.

Questi enunciati vengono interpretati da Carnot come una limitazione nella

realizzazione di una rappresentazione ciclica:

In una trasformazione ciclica una parte del calore assorbito da una sorgente a

temperatura T1 viene necessariamente restituito a una sorgente a temperatura

inferiore.

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CARNOT

Carnot dice che al fine di trasformare calore in lavoro, è necessario che la macchina termica operi tra due sorgenti di calore a temperatura diversa.

In questo caso si fornisce calore una sola volta e per ottenere ancora del lavoro con questa stessa macchina bisogna riportarla alle condizioni iniziali, raffreddando il gas caldo mediante una seconda sorgente di calore, ora refrigerante, dotata di temperatura più bassa di quella che ha prodotto l’espansione del gas.

Se è necessario cederedel calore Q1 a una

sorgente di temperaturapiù bassa di quella chefornisce il calore Q2 alla

macchina il lavoroottenuto sarà ugualeaQ1-Q2 e il rendimento

(L/Q2) sarà sempre < di 1.

LE FASI DEL CICLO DI CARNOT

1. Isoterma eseguita a una temperatura T. Raggiunta T il fluido riceve una quantità di calore Q e si espande sollevando il pistone compiendo un lavoro con l’esterno.

2. Adiabatica in cui il fluido si espande ulteriormente e si produce lavoro con l’esterno,eseguito grazie all’utilizzo di una parte dell’energia del fluido che si raffredda. T1<T2.

LE FASI DEL CICLO DI CARNOT3. Isoterma durante la quale il fluido

viene compreso dall’esterno. La temperatura non aumenta perché il cilindro viene messo a contatto con una sorgente a temperatura T1 che assorbe l’energia della compressione.

4. Adiabatica. Il lavoro che dall’esterno si compie sul fluido si trasforma in energia interna. La temperatura torna da T1 a T2 e le condizioni di pressione e di volume tornano quelle iniziali.

IL CICLO DI CARNOT

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DIMOSTRAZIONE DELL’ENUNCIATO DI KELVIN E CLAUSIUS PER ASSURDO

• Non Clausius implica non Kelvin• Non Kelvin implica non Clausius

I due enunciati sono equivalenti.

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Principio di funzionamento di una macchina termica

Una macchina termica operante fra due sorgenti di calore è un congegno che assorbe dalla sorgente calda una quantità di calore Q2 e cede alla sorgente più fredda una quantità di calore Q1 Q2 realizzando un lavoro L = Q2 - Q1 .

Nessuna macchina termica può raggiungere il rendimento teorico del

100%.

= 1 - T2 / T1 Turna indree

I CICLI REFRIGERANTIData una serie di trasformazioni, costituenti un

ciclo chiuso, si otterrà lavoro meccanico se le trasformazioni si susseguiranno con un

senso di percorrenza orario.

A

BC

D

PRODUZIONE DI LAVORO

I CICLI REFRIGERANTI

Se il ciclo viene percorso in senso inverso, avremo una macchina termica che

assorbirà lavoro meccanico, creando in cambio un salto di temperatura.

A

B C

D

ASSORBIMENTO DI LAVORO

Avremo quindi una macchina in grado di trasferire calore da un corpo ad una

certa temperatura, ad un altro a temperatura maggiore,

contrariamente a quello che avviene spontaneamente in natura.

Dunque un ciclo si dice refrigerante quando del calore viene trasferito da una sorgente a temperatura T1 ad un’altra sorgente a temperatura T2 maggiore di T1 a spese di un lavoro

compiuto sul sistema.

La relazione L=Q2-Q1 è ancora valida, mentre la definizione di rendimento che si applica ad una macchina

termica non ha più senso, perché l’obiettivo di un ciclo refrigerante non è più quello di compiere lavoro meccanico a spese di calore. L’efficienza di un ciclo refrigerante viene

invece caratterizzata da un parametro denominato coefficiente di prestazione (simbolo CP) definito come

rapporto fra la quantità di calore assorbito dalla sorgente fredda e il lavoro impegnato per tale operazione.

L

QCP 1

Tenendo conto che L=Q2-Q1 e che si ottiene allora:Solitamente i valori teorici di CP si aggirano intorno a

6-8 e ad essi corrispondono valori reali pari a 4-5.A seconda della funzione svolta le macchine inverse si possono dividere in due tipi: macchine frigorifere,

pompe di calore.Una macchina frigorifera preleva calore da un ambiente a bassa temperatura e lo scarica a

temperatura ambiente; la pompa di calore viene usata in particolari impianti di riscaldamento, dove

si preleva calore dall'esterno (ambiente a bassa temperatura) per immetterlo in un locale a

temperatura maggiore.

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I MOTORI

• Motore a quattro tempi• Motore a due tempi• Motore diesel • Motore Wankel

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MOTORE A QUATTRO TEMPI

I TEMPO:

fase di aspirazione

II TEMPO:

fase di compressione

III TEMPO:

fase di scoppio ed espansione

IV TEMPO:

fase di scarico

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MOTORE A DUE TEMPI

Il funzionamento del motore a due tempi è del tutto analogo a quello del motore a quattro tempi, sennonché vengono a coincidere la fase di aspirazione con quella di compressione e la fase di scoppio ed espansione con quella di scarico.

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MOTORE A QUATTRO TEMPI DIESEL

I TEMPO:

fase di aspirazione

II TEMPO:

fase di compressione

III TEMPO:

fase di espansione

IV TEMPO:

fase di scarico

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MOTORE WANKEL

Il motore a pistoni rotanti N.S.U. Wankel è costituito da una scatola quasi circolare (statore) nella quale ruota un rotore

triangolare con i lati leggermente convessi. Le tre fasi di aspirazione, scoppio-espansione e scarico avvengono

contemporaneamente ed in continuazione.

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SITOGRAFIA E BIBLIOGRAFIA

• www.tron.vi.it/fisica/cicli/carnot.htm• www.fausernet.novara.it• www.wikipedia.it• Storia dell’auto (editrice La Sorgente)• Bergamaschini, Magazzini, Mazzoni

“L’indagine del mondo fisico”, Carlo Signorelli editore.

THE ENDTHE END