Il Secondo Principio della Termodinamica, Presentazione Università

Introduzione al secondo principio della termodinamica

IL SECONDO
PRINCIPIO DELLA
TERMODINAMICA
F =ciserve x
conversione di energia Termica in LAVORO

Outline

Macchina termica
è impossibile convertire Muito
il colore in lavoro urile
Postulato di Kevin-
Planck
- > ciclo di riferimento
ideale
Ciclo di Carnot
Macchina
frigorifera e
panDa di
calore
Macchina inversa
Postulato di Clausius
Ciclo di Carnot inverso

Il primo principio della termodinamica esprime la conservazione dell'energia affermando che:
CAFFÈ
CALDO
Calore
L'energia è una proprietà conservativa: non si crea e non si distrugge.
Ci sono infatti almeno 5 quesiti a cui dare risposta:
· Le forme di energia sono quantitativamente equivalenti, ma qualitativamente?
· Perché il calore fluisce spontaneamente in un verso ma non nell'altro? Esiste un verso delle
trasformazioni? "> si, dalla remp + calda a quella + fredda.
· Quali sono la velocità e il punto di equilibrio finale dei processi e delle trasformazioni?
· Qual è il lavoro massimo ottenibile in teoria?
?
Quali parametri permettono di ottenere il lavoro massimo teorico?

Senso unico delle trasformazioni

Le trasformazioni avvengono spontaneamente rispettando un certo verso, ma mai in quello opposto.
Le trasformazioni inverse NON possono dunque avvenire "spontaneamente".
In generale, si può affermare che:
Una trasformazione
può avvenire soltanto
se soddisfa
contemporaneamente
il primo e il secondo
principio della
termodinamica.

Il primo principio è un principio di conservazione dell'energia,
mentre il secondo principio potrebbe essere pensato come un
principio di non conservazione o di irreversibilità.
Esistono diversi enunciati di questo principio, tra cui l'enunciato di
Kelvin-Planck e l'enunciato di Clausius.

Serbatoi di energia termica

Tipologie di serbatoio

I serbatoi di energia termica
sono sistemi in grado di
scambiare una quantità
relativamente grande di
calore senza subire alcuna
variazione di temperatura.

(1)
Sorgente
(fornisce energia sotto
forma di calore)
es. sole
caldaia

SORGENTE
di energia termica
CALORE
CALORE
POZZO
di energia termica

(2)
Pozzo
(assorbe energia sotto
forma di calore)
es. stanza incui si
Trova in Televisore che si riscalda.

L'aria contenuta in una cucina può essere ragionevolmente considerata alla stregua di
un serbatoio termico se si considerano le dispersioni termiche causate da un
frigorifero. Ovvero, le dispersioni che derivano dal sistema "frigorifero" non sono tali
da provocare un aumento della temperatura della stanza.
es. notariale:
cambiamento
di fare.

La capacità termica

Un serbatoio per essere considerato tale non deve avere grandi dimensioni: deve, piuttosto, avere una
capacità termica (ovvero m x c) elevata in relazione alla quantità di energia che esso fornisce o assorbe.
La capacità termica C è una grandezza fisica che esprime la quantità di calore Q necessaria per variare la
temperatura di un corpo di una data quantità AT.
AT
Q
C =
Per una sostanza omogenea, è legata al calore specifico dalla relazione: C = m x c
La capacità termica è una proprietà estensiva del sistema, dipende dalla massa del corpo e dal materiale di cui
è composto.
Per i gas, la capacità termica dipende dalle condizioni a cui avviene il riscaldamento (a volume o pressione
costante, come Cp = Cv + nR)

I motori termici

SORGENTE
ad alta temperatura
Q.
MOTORE
TERMICO
Ln, u
Qu
POZZO
a bassa temperatura
LAVORO
100%
CALORE
CALORE
100%
LAVORO
1
dica sott'acqua
siusa Quero per
azionale l'elica
ora calore, ma il
colore
che
tornare
Per convertire il calore in lavoro servono dei
dispositivi appositamente progettati e
chiamati motori termici.
G
(macchine
I motori termici si distinguono per particolarità
costruttive e per modalità di funzionamento,
ma in comune hanno che:
· ricevono calore da una sorgente ad alta
temperatura
· convertono parte del calore in lavoro
(albero)
1
deto
Orle
· cedono la parte restante al pozzo
bassaT.
· operano secondo un ciclo termodinamico
chiuso.
es macchina che aspira
Durante il loro funzionamento, i motori
termici sfruttano un fluido, chiamato fluido
evolvente, al quale cedono e al quale
assorbono calore.
fluido
La che si Trova al loro interno
* butta na comunque chimicamore
so due
FOSTERTe simili.
Quindi Termodinamica nene chiuso.non è sempre
possibile

I motori termici e l'impianto motore a vapore

L'impianto motore a vapore è un esempio di
motore termico:
Sorgente di energia
(bruciatore)
Contorno del sistema
Qe
Caldaia
forma
vapore
Le
Pompa
Turbina
Condensatore
liquido
Qu
miscela
adalto
TITOLO
Pozzo di energia
(atmosfera)
C. Scambiatore
- di
colore
> sfruttare come fluido
evoluenta VAPORE (ACQUA)
Qe + Le = QW + Lee
Que-Qw = LV-Le = > LAVORO
netto
Lavoro netto fornito dall'impianto:
Ln,u = Lu - Le
Ln,u
usenTe entMange
il lavoro è'
>
Maggiore se
de l'+ grande
+ + alla
= Qe - Que av è+ picco
Tpica.
all'entrata della
caldaia e
all'uscita
Bilancio di primo principio:
Q-L = DU
è un ciclo quidi-o
(grandezza di stato)
△U= 0
undi
Qciclo - Lciclo = 0
del condeassure
Abbiano liquido
Ma quello che
cambia el la
pressione:
la pompa seri
xriportare il
selo Pingisee
a
CALDAIA
compune
il fluido

Le centrali termoelettriche

POWTOON
FOR EDU
tecnologiaduepuntozero

Il rendimento termico

SORGENTE
100 kJ
Calore
fornito
100 kJ
1
2
Lavoro
netto
in uscita
20 kJ
Lavoro
netto
in uscita
30 kJ
Calore scaricato
80 kJ
Calore scaricato
POZZO
70 kJ
17t, 1 = 20%
77t, 2 = 30%
E
Lavoro netto fornito dall'impianto:
Ln,u = Qe - Qu
Si ha sempre:
Qu > 0
Ln,u < Qe
solo una parte di
calore viene
convertita in lavoro
L'efficienza di un motore termico viene
qualificata mediante il rendimento termico
efficienza =
energia ottenuta
energia fornita
n =
n,u
Qe
Qu
nt =1-
Qe

Rendimento termico e efficienza

nt =
‘n,u
Qe
Qu
nt =1-
Qe
Il rendimento misura l'efficienza di un motore
termico, ma è sempre inferiore a 1 per il
secondo principio della termodinamica.
Si può migliorare il rendimento
massimizzando la conversione dell'energia
termica in lavoro, ovvero realizzando benefici
come:
· riduzione del consumo di combustibile,
quindi minori costi di esercizio
· minore impatto ambientale, perchè si
riducono le emissioni di CO2 e di altri
inquinanti
I rendimenti termici sono generalmente bassi
rispetto ad altri sistemi di conversione
dell'energia.
Rendimenti tipici
Fino a:
Grandi impianti a vapore
60%
Turbine a gas
40-45%
del impianti: avap.
agas.
Con cicli combinati
55-60%
Motori a benzina
25-30%
Motori Diesel
35-45%

Il calore di scarto

di SCOMTo
Il calore di scarto => xche non può
essere più'
convertito
Anche nei sistemi più efficienti, una parte
significativa del calore viene dispersa:
· nei MCI sotto forma di calore nei gas di
scarico e nel raffreddamento del motore
· nelle turbine e nelle centrali
termoelettriche, il calore viene dissipato
nei fiumi, laghi o nell'atmosfera attraverso
sistemi di raffreddamento
N.B .: ci sono sistemi che comunque
permettono di recuperare parte di questo
calore.
E' possibile ridurre il calore scaricato
nell'ambiente? La risposta è NO.
Anche in condizioni ideali, un motore termico
deve scaricare in un pozzo a bassa
temperatura parte dell'energia fornitagli sotto
forma di calore.
(15 kJ)
PESO
PESO
GAS
90°℃
GAS
30°℃
GAS
30°℃
Calore in entrata
Serbatoio di calore (100 kJ)
a 100°℃
Calore in entrata
(85 kJ)
Pozzo
a 20°℃
Questa limitazione è alla base dell'enunciato di
Kelvin-Planck.

Enunciato di Kelvin-Planck

Attenzione: l'impossibilità non dipende da
fattori come attriti o altre irreversibilità,
ma proprio dalla necessità di avere un
pozzo! (Quindi anche nel caso ideale)
Per una qualsiasi
apparecchiatura che operi
secondo un ciclo è
impossibile ricevere calore da
una sola sorgente e produrre
una quantità di lavoro utile.
Formulazioni equivalenti:
· Nessun motore termico può avere un
rendimento del 100%
· Il fluido evolvente di un impianto
motore deve scambiare calore sia con
una sorgente sia con un pozzo
nt = 1 -Qu
Qe
< 1
Serbatoio di energia termica
, = 100 kW
Ln. » = 100 KW
MOTORE
TERMICO
Q: = 0
Ovvero non è possibile
convertire tutta l'energia
termica in energia meccanica.

Macchine frigorifere e pompe di calore

Sottrarre calore da un serbatoio più caldo

-
esempio
frigo
Ambiente esterno
Qs
CONDENSATORE
800 kPa
30°℃
800 k Pa
60℃
La.e
VALVOLA DI
LAMINAZIONE
COMPRESSORE
-7
120 kPa
ñ25℃
>ñ20℃
diceny. 20 kPa
Jeps
X
fake
EVAPORATORE
Q
Ambiente refrigerato
extra
colore
quandocicho inverso
ho bisogno
Spes of
boa di colore
Ciclo frigorifero a compressione di vapore
Il calore fluisce spontaneamente nel verso delle
temperature decrescenti e non nel verso opposto.
Il trasferimento di calore da un corpo a
temperatura più bassa verso un altro a
temperatura più alta necessita di opportune
apparecchiature, le macchine frigorifere. Operano
secondo un ciclo impiegando un fluido
refrigerante.
Il ciclo frigorifero a compressione di vapore è
composto da:
· un compressore
· un condensatore
· una valvola di laminazione
· un evaporatore
Macchine frigorifere e pompe di calore lavorano
secondo lo stesso ciclo termodinamico ma con
il lavoro quindiobiettivi diversi.
NON è PIU'NERO UTTLE DE NETTO ENTRANTE
aumentate PVálvula de Expansión
Filtro de Líquido,
antihumedad y antiácido
CONDENSADOR
Solenoide
Visor
Recipiente
Líquidos
Presostato de Baja
EVAPORADOR
Presostato de Alta
Acumulador
de Aspiración
COMPRESOR

Macchine frigorifere e pompe di calore: obiettivi

Ambiente esterno
a T >T.
Lavoro
fornito
Q.
L ...
Energia
ottenuta
Q.
Ambiente refrigerato
Macchine frigorifere
Obiettivo: asportate il
calore Qi dall'ambiente
da refrigerare a spese
del lavoro Ln,e
obh
quanto colore
STO 2880Mber010
dell'ambiente refor
Ambiente esterno
Lavoro
fornito
0.
L .. .
Energia
ottenuta
Q.
Ambiente refrigerato
a T.
obb.
quanto calore
866 forrendo
dell'ambiente
esteMeio
Pompe di calore
Obiettivo: fornire il calore Qs
da una sorgente a bassa
temperatura ad una sorgente
ad alta temperatura, a spese
del lavoro Ln,e
energia ottenuta
Qs
COPPdc
energia fornita
Ln,e
COPF
energia ottenuta
Qi
H
Ln,e
energia fornita
Qi
Qs
COPPdc
=
Qs - Qi
COPPdc = COPF + 1
colf. di
prestazione
COPF =
Qs - Qi
icolff di performance
Sono sempre maggiore di e
Cadore trasferito
Non converTino)