FISICA AMBIENTALE 1
Lezioni 5 – 6
Le macchine termiche
Tipi di macchine termiche (ideali) :
TH= Tamb
TC= Tamb
Macchina T.
convenzionale
Macchina termica
“fredda”
TH= Tamb
TC= Tamb
Pompa di
calore
Frigorifero
Frigorifero:
TH= Tamb
Win è lavoro sul sistema
per estrarre calore da un
serbatoio a bassa T e
trasferirlo ad uno a
T ambiente.
Coefficiente di rendimento
Calore estratto
COP
Energia richiesta
LA REFRIGERAZIONE
Punto critico
Vapore saturo
Liquido
saturo
strozzatura
Diagramma pH del ciclo di un frigorifero
COOLING ACHIEVED
COP =
=
WORK INPUT
H1-H4
H2-H1
Grafico delle pressioni rispetto alle T
dei punti di ebollizione per alcuni fluidi
Non tutti cadono nel range accettabile
con –10 °C< T < 60°C a
p ~100 kPa (p atmosferica)
Paragone tra due sistemi di refrigerazione:
compressione del vapore e assorbimento
Condenser
VAPOUR
COMPRESSION:
1.Compressor
ABSORPTION:
1.Absorb vapour in
liquid while
removing heat
2.Elevate pressure of
liquid with pump
3.Release vapour by
appling heat
High-pressure
vapour
Espansion
value
Low-pressure
vapour
Evaporator
Pompa di calore
Win è lavoro sul sistema
per estrarre calore da un
serbatoio a Tambiente e
trasferirlo ad uno a
temperatura più alta.
TC= Tamb
Coefficiente di rendimento
COP
QH = QC +Win ; calore trasferito
Win lavoro per trasferire il calore
Efficienza di una macchina termica reale
Una macchina reale compie molti cicli/s.
Se internamente la macchina opera con C:
Eliminiamo C e H con le equazioni del
trasporto. Si ottiene:
con
Il lavoro eseguito diventa:
Tale lavoro è nullo per  = 0 e per  = C.
Per a, TC, TH costanti si trova il massimo
di W rispetto a :
Da cui l’efficienza di una macchina termica reale:
< C
Second law efficiency:
Definizione più generale di efficienza in
un processo di trasferimento di calore:
=
output energetico
input energetico
Bisogna guardare lo scopo
e non solo la macchina
=
output di calore / lavoro utile
output max per ogni sistema
con lo stesso input
Massimo permesso
dalla termodinamica
 sempre < 1
Riscaldamento domestico
Calore
trasmesso
alla casa
variazione di H per
la combustione del gas
Second law efficiency:
Lavoro utile per una
pompa di calore
Massimo lavoro che può essere fornito da
un sistema che si porti ad uno stato finale
in equilibrio con l’atmosfera.
EXERGIA: energia convertibile in lavoro
Il lavoro meccanico è 100% exergia, le
altre forme di energia sono convertibili
in lavoro solo in una certa percentuale:
Energia elettrica: 99% exergia
Energia meccanica: 80% exergia
Calore: grado di convertibilità variabile
dipendente dalla temperatura.
Possiamo riscrivere la
second law efficiency :
T0, p0
U V S
Uf Vf Sf
Temperatura dell’atmosfera
Scambio di entropia
sistema+ambiente
“Lavoro perso”
EXERGIA PERSA NELLA COMBUSTIONE
Combustibile
+ Aria
T0, p0, V1
Combustione
adiabatica
Tc, pc, Vc +
Prodotti di
combustione T
I prodotti di combustione si raffreddano
TT0 e compiono lavoro:
 = C
Exergia totale prima
della combustione
Energia persa
Il lavoro perso diventa:
T0 = 300
Tc = 2240 K
Exergia
persa nella
combustione