Macchine
Termiche
Cicliche
Breve storia della termodinamica
.
Erone di Alessandria
Fin 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 di
Thomas Savery,
(1695), che pur
non avendo ancora
Cilindro e pistone
permetteva di
pompare
l’acqua dal
sottosuolo
delle 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
Serbatoio
Freddo
Isolante
Fluido
Serbatoio
Caldo
• Una macchina termica opera tra
due temperature diverse e
trasforma parte del calore in
lavoro
• Il fluido interno compie un ciclo
Motore
Ciclo di Carnot
1
qH
TH= costante
2-3 : Adiabatica
2
p
qL
4
TL=
costante
V
1-2 : Isoterma
3-4 : Isoterma
3
4-1 : Adiabatica
Lavoro Estratto
Ciclo di Carnot
Ciclo di Carnot
Efficienza:

Lavoro Compiuto / Calore Assorbito
= 1-TC/TH



Nessun ciclo puo’ essere piu’
efficiente di un ciclo di Carnot
senza violare la Seconda Legge
Si puo’ tendere a Efficienza  1
se TC 0
Percorrendo un ciclo in senso
antiorario otteniamo un
frigorifero.
Il Ciclo di Otto
• Quattro Tempi
•
•
•
•
12: adiabatica lenta
23: isocora veloce
34: adiabatica lenta
41: isocora veloce
Motore a ciclo di Otto
Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal carburatore
Motore a ciclo di Otto
Passo 2: Compressione della miscela
Motore a ciclo di Otto
Passo 4: Scarico dei Gas
Ciclo di Stirling
Gas Power Cycle - Internal Combustion Engine
Otto Cycle
P
Otto Cycle
3
• 1-2 adiabatic compression
• 2-3 isochoric heat transfer
• 3-4 adiabatic expansion
• 4-1 isochoric heat rejection
4
2
1
v
Thermal efficiency of the system:
=
Wcycle
Qin

W34  W12 m[ u3  u4   (u1  u2 )]
(u  u )

 1 4 1
Q23
m(u3  u2 )
(u3  u2 )
For an ideal gas, u=C vT ,  =1 
C (T  T )
(u4  u1 )
T  T / T 1 
 1 v 4 1  1 1  4 1 
(u3  u2 )
Cv (T3  T2 )
T2  T3 / T2  1 
Since T4 / T1  T3 / T2 (why?)
  1
T1
. From isentropic compression relation for an ideal gas
T2
T1  V2 
 
T2  V1 
k 1

 V1 
,
where
r=
  is the volume compression ratio
r k 1
 V2 
1
Otto Cycle-2
thermal efficiency
100
Thermal efficiency of an Otto cycle,
1
 1
r
80
( r )
60
k 1
40
20
0
0
3
6
9
r
compression ratio
12
15
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
2
3
4
1
v
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%