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
IL SECONDO PRINCIPIO
DELLA TERMODINAMICA
GRUPPO 3: BAINI ELISA, BERTOLINI
SARA, CHIODI CRISTINA, FILIPPINI
FRANCESCO, NEGRONI UMBERTO
MARIA, SOREGAROLI ELISA, VIVALDI
LUCA
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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
Turna indree
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 .
Turna indree
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.
Turna indree
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%.
Turna indree
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).
Turna indree
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.
Turna indree
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 cedere
del calore Q1 a una
sorgente di temperatura
più bassa di quella che
fornisce il calore Q2 alla
macchina il lavoro
ottenuto sarà uguale
aQ1-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 CARNOT
3. 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
Turna indree
DIMOSTRAZIONE DELL’ENUNCIATO
DI KELVIN E CLAUSIUS PER ASSURDO
• Non Clausius implica non Kelvin
• Non Kelvin implica non Clausius
I due enunciati sono equivalenti.
Turna indree
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%.
h = 1 - T2 / T1
Turna indree
I CICLI REFRIGERANTI
Data una serie di trasformazioni, costituenti un
ciclo chiuso, si otterrà lavoro meccanico se
le trasformazioni si susseguiranno con un
senso di percorrenza orario.
A
B
D
C
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
D
B
C
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.
CP 
Q1
L
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.
Turna indree
I MOTORI
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Motore a quattro tempi
Motore a due tempi
Motore diesel
Motore Wankel
Turna indree
MOTORE A QUATTRO TEMPI
I TEMPO:
II TEMPO:
fase di
aspirazione
fase di
compressione
III TEMPO:
IV TEMPO:
fase di scoppio
ed espansione
fase di scarico
Turna indree
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.
Turna indree
MOTORE A QUATTRO TEMPI
DIESEL
I TEMPO:
II TEMPO:
fase di aspirazione
fase di compressione
III TEMPO:
IV TEMPO:
fase di espansione
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, scoppioespansione e scarico avvengono contemporaneamente ed in
continuazione.
Turna indree
SITOGRAFIA E BIBLIOGRAFIA
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•
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 END
THE END