Macchine Termiche Cicliche

Macchine Termiche Cicliche

Breve storia della termodinamica.

Erone di AlessandriaFin dall'antichità i fenomeni termici erano stati utilizzati per produrre movimenti

L’inizio della termodinamica• La termodinamica nasce prima in modo empirico e poi si

trasforma in scienza. Per la prima volta è il progresso tecnologico a dettare i tempi delle scoperte scientifiche.

•La termodinamica ha origine da un problema molto consistente all'epoca: l'eliminazione dell'acqua delle miniere. La prima macchina termica dell'era moderna capace di sfruttare la potenza del calore per produrre lavoro fu realizzata nel 1695 da un tecnico inglese, Thomas Savery (1650-1715). Si trattava di una macchina senza cilindro e pistone, di rendimento molto basso ma comunque capace di pompare l'acqua dal sottosuolo delle miniere

La macchina di Savery (1695)

Macchina diThomas Savery, (1695), che purnon avendo ancoraCilindro e pistone permetteva di pomparel’acqua dalsottosuolodelle miniere

Macchina di Savery 1695

La macchina di Papin• .

• La macchina di Papin era costituita da un tubo chiuso nella parte inferiore e contenente un pistone sotto al quale si trovava una piccola quantità di acqua che, trasformata in vapore, spingeva il pistone fino in cima al cilindro dove si fermava contro un dente di arresto. Raffreddando il cilindro il vapore condensava producendo un vuoto parziale sotto il pistone. La pressione atmosferica costringeva il pistone ad una rapida discesa (fase attiva). Il tubo svolgeva la triplice funzione di caldaia, cilindro del motore e condensatore. La macchina a vapore sarà realizzata in tappe successive separando queste tre parti.

La macchina di Newcomen La prima vera e propria macchina a vapore

viene inventata e costruita daThomas Newcomen (1663-1729), un fabbro inglese che si era interessato al problema.

Questa era una macchina a pistone che sfruttava il calore del fuoco. Aveva un rendimento bassissimo e tempi lunghi tra due fasi successive.

La prima macchina di Newcomen viene messa in funzione nel 1705. Attorno al 1725 la macchina di Newcomen era impiegata in moltissime miniere ma anche per rifornire di acqua le ruote idrauliche più grandi. Il difetto principale di questa macchina è il continuo raffreddamento del cilindro che causa un enorme consumo di carbone. Il suo rendimento termico era solo dell'1%, cioè ogni 100 Kg di carbone bruciati solo 1 veniva utilizzato per far muovere la pompa. Nonostante questi gravi difetti la macchina non ebbe rivali nelle miniere inglesi per circa 60 anni.

• .

Macchina di Newcomen 1712-25

Macchina di Newcomen

e=0.005

La macchina di Watt • Per avere una macchina a vapore

vera e propria, quella cioè che darà il via alla rivoluzione industriale si deve attendere il genio di James Watt (1736-1819).Nel 1769 egli era impiegato come mantenitore di strumenti presso l'università di Glasgow in Scozia. In tale veste egli dovette riparare un piccolo modello di macchina di Newcomen che non aveva funzionato mai. Watt si rese conto che l'alternativo riscaldamento e raffreddamento del pistone sprecava grandi quantità di calore e quindi di combustibile. Intuì che se la condensazione del vapore fosse avvenuta in un contenitore separato (il condensatore) si poteva mantenere il cilindro col pistone sempre caldo evitando grandi sprechi di carbone e rendendo il processo più veloce e di maggiore rendimento.

Macchina di di Watt 1769

Macchina di Watt 1784

Macchine Termiche

• Una macchina termica opera tra due temperature diverse e trasforma parte del calore in lavoro

• Il fluido interno compie un ciclo

SerbatoiSerbatoio Caldoo Caldo

SerbatoiSerbatoio Freddoo Freddo

FluidFluidoo

IsolanteIsolante

Motore

11

22

qqHHTTHH= = costantecostante

3344 qqLL

TTLL= = costantecostante

VV

pp

Ciclo di Carnot1-2 : Isoterma1-2 : Isoterma

2-3 : Adiabatica2-3 : Adiabatica

3-4 : Isoterma3-4 : Isoterma

4-1 : Adiabatica4-1 : Adiabatica

Lavoro EstrattoLavoro Estratto

Ciclo di CarnotCiclo di Carnot

Ciclo di Carnot Efficienza:Efficienza:

Lavoro Compiuto / Calore Lavoro Compiuto / Calore AssorbitoAssorbito = = 1-T1-TCC/T/THH

Nessun ciclo puo’ essere piu’ Nessun ciclo puo’ essere piu’ efficiente di un ciclo di Carnot efficiente di un ciclo di Carnot senza violare la Seconda senza violare la Seconda LeggeLegge

Si puo’ tendere a Si puo’ tendere a Efficienza Efficienza 11 se se TTC C 00

Percorrendo un ciclo in senso Percorrendo un ciclo in senso antiorario otteniamo un antiorario otteniamo un frigorifero.frigorifero.

Il Ciclo di Otto• Quattro Tempi

• 12: adiabatica lenta• 23: isocora veloce• 34: adiabatica lenta• 41: isocora veloce

Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal carburatorecarburatore

Motore a ciclo di Otto

Motore a ciclo di OttoMotore a ciclo di Otto

Passo 2: Compressione della miscelaPasso 2: Compressione della miscela

Motore a ciclo di OttoMotore a ciclo di Otto

Passo 4: Scarico dei GasPasso 4: Scarico dei Gas

Ciclo di Stirling

Gas Power Cycle - Internal Combustion Engine

Otto Cycle

Otto CycleP

v1

2

3

4

cycle 3 4 1 234 12 4 1

in 23 3 2 3 2

4 14 1 1 4 1v

3 2 3 2 2 3 2

4 1

Thermal efficiency of the system:

W [ ( )] ( ) = 1

Q ( ) ( )

( )( ) / 1For an ideal gas, u=C , =1 1 1

( ) ( ) / 1

Since /

v

v

m u u u uW W u u

Q m u u u u

C T Tu u T T TT

u u C T T T T T

T T

3 2

1

2

1

1 2 11

2 1 2

/ (why?)

1 . From isentropic compression relation for an ideal gas

1, where r= is the volume compression ratio

k

k

T T

T

T

T V V

T V r V

• 1-2 adiabatic compression• 2-3 isochoric heat transfer• 3-4 adiabatic expansion• 4-1 isochoric heat rejection

Otto Cycle-2

0 3 6 9 12 150

20

40

60

80

100

compression ratio

ther

mal

eff

icie

ncy

( )r

r

Thermal efficiency of an Otto cycle,

11

1r k

Typical value of r for a real engine: between 7 and 10

• The higher the compression ratio, the higher the thermal efficiency.• Higher r will led to engine knock (spontaneous ignition) problem.

Diesel Cycle

P

v1

2 3

4

2-3: a constant pressure process (instead of a constant volume process) and is the only difference between an idealized Diesel cycle and an idealized Otto cycle.

• Fuel injection for an extended period during the power stroke and therefore maintaining a relatively constant pressure.• Diesel cycle has a lower thermal efficiency as compared to an Otto cycle under the same compression ratio.• In general, Diesel engine has a higher thermal efficiency than spark-ignition engine because the Diesel engine has a much higher compression ratio.• Compression-ignition: very high compression ratio 10 to 20 or even higher.•Rendimento medio del ciclo Diesel 30-40%