Articulu nantu à a Seconda Legge di a Termodinamica
Tutti i prucessi naturali si verificanu in una sola direzzione, ma ùn ponu micca accade in a direzzione opposta, di solitu chjamati prucessi irreversibili. Dopu esse stati liberati da u fustu è caduta libera Quandu una manga casca in terra, ùn si move mai più in su. Un libru chì spinghjemu è dopu ci fermemu ùn si move mai più versu di noi. Sè tuccemu un oggettu à alta temperatura (un oggettu caldu) cù un oggettu à bassa temperatura (un oggettu fretu), u calore scorre naturalmente da l'oggettu à alta temperatura à l'oggettu à bassa temperatura. Ùn vedemu mai u prucessu inversu, induve u calore si move naturalmente da un oggettu fretu à un oggettu caldu. Sè stu prucessu si verificassi, l'oggettu fretu diventerebbe più fretu, mentre chì l'oggettu caldu diventerebbe più caldu. Ma in realtà, questu ùn hè micca u casu. Ci sò parechji prucessi irreversibili chì parenu sfarenti l'uni da l'altri, ma tutti implicanu cambiamenti in a forma di l'energia è u trasferimentu di energia da un oggettu à l'altru.
Per esempiu, ci hè un terramotu putente chì face crollà l'edifizii (l'edifizii crollanu per via di l'energia purtata da l'onde di u terramotu). Avete mai vistu ogni parte di l'edifiziu crollatu rimette si inseme è stà dritta cum'è prima ? O, per esempiu, un vetru casca in terra è si rompe... Avete mai vistu i frammenti di vetru spargugliati per terra rimette si inseme è furmà un vetru sanu cum'è prima ? Ùn hè mai accadutu... ci sò parechji altri esempi.
Per spiegà i prucessi termodinamichi chì si verificanu in una sola direzzione (prucessi irreversibili), i scientifichi anu furmulatu a seconda lege di a termodinamica. A seconda lege di a termodinamica spiega quali prucessi ponu accade in l'universu è quali prucessi ùn ponu micca. Un scientificu chjamatu RJE Clausius (1822-1888) hà fattu a seguente dichjarazione:
U calore si move da per ellu da un oggettu à alta temperatura à un oggettu à bassa temperatura; u calore ùn si move micca da per ellu da un oggettu à bassa temperatura à un oggettu à alta temperatura (Seconda lege di a termodinamica - dichjarazione di Clausius).
L'affermazione di Clausius hè una dichjarazione particulare di a seconda lege di a termodinamica. Hè chjamata dichjarazione particulare perchè s'applica solu à un prucessu, vale à dì u trasferimentu di calore. Siccomu sta dichjarazione ùn si riferisce micca à altri prucessi, avemu bisognu di una dichjarazione più generale. U sviluppu di a dichjarazione generale di a seconda lege di a termodinamica hè statu in parte basatu annantu à u studiu di i motori termichi. Dunque, discuteremu prima di i motori termichi.
MOTORE TERMICO
Gran parte di l'energia chì usemu vene da l'energia putenziale chimica cuntenuta in u petroliu, u gasu è u carbone. L'energia putenziale chimica cuntenuta in u petroliu, u gasu o u carbone ùn pò esse aduprata direttamente. U petroliu, u gasu o u carbone devenu esse brusgiati prima. Tipicamente, a combustione di combustibili fossili (petroliu, gasu è carbone) produce calore. U calore pò esse adupratu direttamente per cucinà l'alimentu è riscaldà una stanza. Per spustà qualcosa (per esempiu, per spustà un veiculu), duvemu cunvertisce u calore in energia cinetica o energia meccanica (energia meccanica = energia putenziale + energia cinetica). Cunvertisce l'energia meccanica in calore hè un travagliu assai faciule, ma cunvertisce u calore in energia meccanica hè difficiule. Pruvate à sfregà e palme inseme... e palme sò calde, nò ? Quandu sfreghemu e palme inseme (facemu travagliu), l'energia meccanica hè cunvertita in calore. U prucessu hè assai faciule... Ancu u calore infinitu pò esse pruduttu fendu un travagliu. Ma u prucessu inversu, vale à dì aduprà u calore per fà un travagliu, hè difficiule.
Un dispusitivu utilizatu per sfruttà u calore per fà un travagliu hè statu inventatu solu in u 1700. U dispusitivu in quistione era a macchina à vapore. E macchine à vapore sò state aduprate per a prima volta per pompà l'acqua fora di e mine di carbone. Hè impurtante nutà chì u primu usu di e macchine à vapore hè accadutu prima chì i scientifichi sapessinu chì u calore hè in realtà energia trasferita per via di e differenze di temperatura (a prima lege di a termodinamica ùn era ancu stata furmulata).
L'usu di e macchine à vapore à quellu tempu era probabilmente basatu annantu à l'esperienza quotidiana chì mostrava chì u vapore pudia spustà e cose. E macchine à vapore sò cunsiderate macchine termiche (un motore termicu = un dispositivu per cunvertisce u calore in energia meccanica). Oghje, e macchine à vapore sò aduprate per generà energia elettrica. I motori termichi muderni sò motori à combustione interna (motori di vitture, motori di motociclette, ecc.).
L'idea di basa daretu à l'usu di un mutore termicu hè chì u calore pò esse cunvertitu in energia meccanica solu s'ellu hè permessu di scorrere da una regione à alta temperatura à una regione à bassa temperatura. Durante stu prucessu, una parte di u calore hè cunvertita in energia meccanica (una parte di u calore hè aduprata per fà u travagliu), mentre chì una parte di u calore hè rigettata in a regione à bassa temperatura. U prucessu di cunversione di l'energia è di trasferimentu di l'energia in un mutore termicu hè mostratu in u diagrama.
Alta temperatura (TH) è bassa temperatura (TL) hè ancu chjamata temperatura di funziunamentu di u mutore. U calore chì scorre da un locu à alta temperatura hè datu u simbulu QH, mentre chì u calore chì hè liberatu in un locu à bassa temperatura hè datu u simbulu QL. Quandu si scorri da un locu à alta temperatura à un locu à bassa temperatura, qualchì QH cunvertita in energia meccanica (usata per fà u travagliu), una parte di ella hè liberata cum'è QLIn fatti, speremu veramente chì tutti i QH pò esse cunvertitu in W, ma l'esperienza di ogni ghjornu mostra chì questu hè impussibile. Ci hè sempre qualchì calore persu. Cusì, basatu annantu à a cunservazione di l'energia, si pò cunclude chì QH = W + QL.
Avà esaminemu un mutore termicu cumunimenti adupratu per cunvertisce u calore in energia meccanica. Hè impurtante nutà chì cunsideremu solu i mutori termichi chì realizanu un travagliu cuntinuu. Perchè u travagliu sia realizatu cuntinuamente, u calore deve scorrere cuntinuamente da una regione à alta temperatura à una regione à bassa temperatura. Se u calore scorre solu una volta, u travagliu realizatu da u mutore termicu serà ancu fattu solu una volta (l'energia meccanica prodotta serà assai chjuca). Dunque, u mutore termicu ùn pò esse utilizatu in modu ottimale. Un mutore termicu pò esse utilizatu in modu ottimale se esegue un travagliu cuntinuu. In altre parole, l'energia meccanica prodotta da u mutore termicu hè sufficiente per esse aduprata per spustà qualcosa.
Macchina à vapore
I motori à vapore utilizanu u vapore acqueo cum'è mezu di trasferimentu di calore. U vapore hè chjamatu a sustanza di travagliu di un motore à vapore. Ci sò dui tipi di motori à vapore: i motori à vapore alternativi è i motori à vapore à turbina (turbine à vapore). I so disinni sò ligeramente diversi, ma i dui tipi anu similitudini: utilizanu u vapore riscaldatu da a combustione di petroliu, gasu, carbone o energia nucleare.
Macchina à vapore di tipu alternativu
L'acqua in un cuntinadore hè generalmente riscaldata à alta pressione. Siccomu hè riscaldata à alta pressione, u prucessu d'ebullizione si faci à alta temperatura. A temperatura hè direttamente proporzionale à a pressione. Più alta hè a temperatura di u vapore, più grande hè a pressione di vapore. Stu vapore à alta temperatura o à alta pressione si move per a valvula d'entrata è si espande contr'à u pistone. Mentre si espande, u vapore spinge u pistone, facendulu spustà si à diritta.
Una parte di u calore in u vapore hè cunvertita in energia cinetica. Quandu u pistone si move à diritta, a rota cunnessa à u pistone gira (1). Dopu à mezza rotazione, a rota spinge u pistone in daretu à a so pusizione originale (2). Quandu u pistone si move à manca, a valvula d'entrata si chjude automaticamente, mentre chì a valvula di scaricu si apre automaticamente. U vapore hè condensatu da u condensatore, trasfurmendu si in rugiada. Dopu, l'acqua in u condensatore hè pompata in daretu in u cuntinente per esse bollita di novu. È cusì via... Siccome u prucessu si faci ripetutamente, u pistone si move à diritta è à manca continuamente. Siccome u pistone si move à diritta è à manca continuamente, a rota gira ancu continuamente. A rotazione di a rota hè generalmente aduprata per spustà qualcosa.
Turbina à vapore
U principiu di funziunamentu di una turbina à vapore hè essenzialmente u listessu chè quellu di una macchina à vapore alternativa. A differenza hè chì una macchina à vapore alternativa usa un pistone, mentre chì una turbina à vapore usa una turbina. In una macchina à vapore alternativa, u calore hè prima cunvertitu in energia cinetica traslazionale di u pistone. Dopu à quessa, l'energia cinetica traslazionale di u pistone hè cunvertita in energia cinetica rotazionale di a rota chì gira. In una turbina à vapore, u calore hè cunvertitu direttamente in energia cinetica rotazionale di a turbina. A turbina pò girà per via di una differenza di pressione. A temperatura di u vapore sopra a pala hè assai più alta chè a temperatura di u vapore sottu à a pala. A pala hè una piastra fina situata in u centru di a turbina. A temperatura hè direttamente proporzionale à a pressione. Siccome a temperatura di u vapore sopra a pala hè più alta chè a temperatura di u vapore sottu à a pala, a pressione di u vapore sopra a pala hè più grande chè a pressione sottu à a pala. Sta differenza di pressione face chì u vapore spinga a pala in ghjò, pruvucendu a rotazione di a turbina. A direzzione di a rotazione di a turbina hè mostrata in a figura.
Hè impurtante di nutà chì u principiu di funziunamentu di una macchina à vapore hè basatu annantu à u diagrama di trasferimentu d'energia spiegatu sopra. In questu casu, l'energia meccanica pò esse generata permettendu à u calore di scorrere da un ughjettu o un locu cù una temperatura alta à un ughjettu o un locu cù una temperatura bassa. Dunque, una differenza di temperatura hè essenziale in una macchina à vapore.
Sè vo fate attenzione à cumu funziona una macchina à vapore alternativa, vi accurgerete chì u pistone pò sempre spustassi à manca è à diritta ancu s'ellu ùn ci hè micca differenza di temperatura (nisun condensatore o pompa). U pistone pò spustassi à diritta per via di l'espansione di u vapore à alta temperatura o à alta pressione. In questu casu, una parte di u calore in u vapore hè cunvertita in energia cinetica traslazionale di u pistone. Questa energia cinetica traslazionale di u pistone si cunverte tandu in energia cinetica rotazionale di a rota chì gira. Dopu avè cumpletatu mezza rotazione, a rota spinge u pistone torna à manca. Quandu a rota spinge u pistone torna à manca, l'energia cinetica rotazionale di a rota hè cunvertita di novu in energia cinetica traslazionale di u pistone. Mentre u pistone si move à manca, spinge fora u vapore in u cilindru. À u listessu tempu, a valvula di scaricu si apre.
Cusì, u vapore spintu da u pistone spingerà u so amicu sottu à a valvula di scaricu. Avà, se a temperatura di u vapore sottu à a valvula di scaricu hè uguale à a temperatura di u vapore spintu da u pistone, allora tutta l'energia cinetica traslazionale di u pistone serà cunvertita torna in energia interna di u vapore. L'energia interna hè direttamente proporzionale à a temperatura. Se l'energia interna di u vapore aumenta, a temperatura di u vapore aumenta. A temperatura hè direttamente proporzionale à a pressione. Se a temperatura di u vapore aumenta, a pressione di u vapore aumenta ancu. Cusì, a pressione di u vapore liberatu attraversu a valvula di scaricu hè uguale à a pressione di u vapore chì entra attraversu a valvula d'entrata. U pistone continuerà à spustassi à diritta è à manca continuamente, ma ùn ci serà micca energia cinetica tutale chì pò esse aduprata (nisun travagliu tutale pruduttu). Cusì l'energia cinetica ricevuta da u pistone durante u prucessu di espansione (u pistone si move à diritta) serà restituita à u vapore durante u prucessu di cumpressione (u pistone si move à manca).
Si cunclude chì una differenza di temperatura in una macchina à vapore hè sempre necessaria. Sta differenza di temperatura in una macchina à vapore pò esse ottenuta utilizendu un condensatore. Quandu a temperatura è a pressione di u vapore sottu à a valvula di scaricu sò assai più basse di a temperatura è a pressione di u vapore in u cilindru, tandu quandu u pistone si move torna à manca, a quantità di pressione chì u pistone esercita nantu à u vapore hè assai più chjuca di a quantità di pressione chì u vapore esercita nantu à u pistone quandu u pistone si move à diritta. In altre parole, a quantità di travagliu chì u pistone face nantu à u vapore hè assai più chjuca di a quantità di travagliu chì u vapore face nantu à u pistone. Cusì solu una piccula parte di l'energia cinetica di u pistone hè restituita à u vapore. Cusì, ci serà energia cinetica tutale o travagliu tutale pruduttu. Sta energia cinetica tutale hè aduprata per spustà qualcosa.
Motore à combustione interna
I motori di motociclette è di vitture sò esempi di motori à combustione interna. Sò chjamati motori à combustione interna perchè u prucessu di combustione si faci in un cilindru chjusu. I motori à combustione interna sò u risultatu di l'ingegneria chì usa u cuncettu di cumpressione è espansione adiabatica, cum'è spiegatu in u tema precedente. prima lege di a termodinamica.
Cunsidereremu solu i motori à combustione interna chì utilizanu benzina è diesel cum'è carburante. A benzina è u diesel sò prudutti petroliferi, è dunque pussedenu energia putenziale chimica. L'energia putenziale chimica in a benzina è u diesel hè prima cunvertita in calore per via di u prucessu di combustione. U calore pruduttu per via di a combustione hè tandu cunvertitu in energia meccanica. Questa energia meccanica hè ciò chì permette à una motocicletta o à una vittura di muoversi. U ciclu in un mutore à benzina hè chjamatu ciclu Otto, mentre chì u ciclu in un mutore diesel hè chjamatu ciclu diesel. Un ciclu hè un prucessu termodinamicu reversibile. Discutemu prima u ciclu Otto.
Ciclu Otto
Questu hè un diagrama di un mutore à combustione interna à quattru tempi. Una mistura d'aria è di vapore di benzina scorre da u carburatore in u cilindru mentre u pistone si move in giù (a corsa di aspirazione). A mistura d'aria è di vapore di benzina in u cilindru hè tandu cumpressa adiabaticamente mentre u pistone si move in su (a corsa di compressione). Perchè hè cumpressa adiabaticamente, a temperatura è a pressione di a mistura aumentanu. Simultaneamente, a candela accende a mistura, accendendula. Mentre brusgia, a temperatura è a pressione di u gas aumentanu. U gas à alta temperatura è alta pressione si espande contr'à u pistone, spinghjendulu in giù (a corsa di espansione). U gas brusgiatu hè tandu liberatu attraversu a valvula di scaricu è direttu versu u tubu di scaricu (a corsa di scaricu). A valvula di aspirazione si apre di novu, è i quattru tempi sò ripetuti.
Hè impurtante di nutà chì u scopu di a corsa di cumpressione adiabatica hè di aumentà a temperatura è a pressione di a mistura di vapore aria-benzina. A cumbustione à alta pressione produce temperature è pressioni assai elevate. Di cunsiguenza, a spinta (F = PA) generata durante u prucessu di espansione hè assai grande. Questu face chì un mutore di motocicletta o di vittura diventi più putente. Ancu senza cumpressione, a mistura di vapore aria-benzina pò accende si quandu a candela produce una scintilla. Tuttavia, a temperatura è a pressione di u gasu brusgiatu ùn sò micca assai alte, dunque a spinta risultante hè ancu chjuca. Di cunsiguenza, u mutore diventa menu putente.
U prucessu di trasfurmazione di l'energia è di trasferimentu d'energia in un mutore à combustione interna à quattru tempi pò esse spiegatu cusì: Durante a combustione, l'energia potenziale chimica in a benzina è l'energia in l'aria sò cunvertite in calore. Una parte di u calore hè cunvertita in energia meccanica in a biella di u pistone è in l'alberu motore, mentre una parte hè liberata per mezu di u tubu di scaricu. A maiò parte di l'energia meccanica in a biella di u pistone è in l'alberu motore hè cunvertita in energia meccanica in u veiculu (chì move u veiculu), mentre una piccula parte hè cunvertita in calore. U calore hè generatu da l'attritu.
U prucessu di espansione è cumpressione adiabatica in u ciclu Otto pò esse illustratu da u diagrama quì sottu. Stu diagrama mostra un mudellu idealizatu di i prucessi termodinamichi chì si verificanu in un mutore à combustione interna alimentatu à benzina.
Una mistura d'aria è di vapore di benzina entra in u cilindru (a). A mistura d'aria è di vapore di benzina hè tandu cumpressa adiabaticamente (a-b). Nutate chì u vulume di u cilindru diminuisce. A mistura d'aria è di vapore di benzina hè riscaldata à vulume custante - a mistura hè brusgiata (b-c). U gasu brusgiatu subisce una espansione adiabatica (c-d). Raffreddamentu à vulume custante - u gasu brusgiatu hè scaricatu in u tubu di scaricu è una nova mistura d'aria + vapore di benzina entra in u cilindru (d-a).
Una mistura d'aria è di vapore di benzina entra in u cilindru (a). A mistura d'aria è di vapore di benzina hè tandu cumpressa adiabaticamente (a-b). Nutate chì u vulume di u cilindru diminuisce. A mistura d'aria è di vapore di benzina hè riscaldata à vulume custante - a mistura hè brusgiata (b-c). U gasu brusgiatu subisce una espansione adiabatica (c-d). Raffreddamentu à vulume custante - u gasu brusgiatu hè scaricatu in u tubu di scaricu è una nova mistura d'aria + vapore di benzina entra in u cilindru (d-a).
Ciclu Diesel
U principiu di funziunamentu di un mutore diesel hè simile à quellu di un mutore à benzina. A differenza stà in a tappa iniziale di cumpressione adiabatica (cumpressione adiabatica = cumpressione chì hè fatta cusì rapidamente chì u calore ùn hà micca u tempu di scorrere in o fora di u sistema. U sistema in questu casu hè un cilindru). Mentre chì in un mutore à benzina, ciò chì hè cumpressu hè una mistura d'aria è di vapore di benzina, in un mutore diesel solu l'aria hè cumpressa. A cumpressione adiabatica face chì a temperatura è a pressione di l'aria aumentinu. Dopu, l'iniettore, cunnisciutu ancu cum'è l'iniettore, spruzza diesel. Siccome a temperatura è a pressione di l'aria sò digià assai alte, quandu u diesel hè spruzzatu in u cilindru, u diesel si accende subitu. Ùn sò necessarie candele. Nutate u valore di pressione mostratu in u diagrama sottu. Bparagunate cù a magnitudine di a pressione mostrata in u diagrama di u ciclu Otto.
Stu diagrama mostra un ciclu diesel ideale. Inizialmente, l'aria hè cumpressa adiabaticamente (a-b), poi riscaldata à pressione costante - l'iniettore spruzza diesel è si verifica a combustione (b-c), u gas brusgiatu subisce una espansione adiabatica (c-d), si raffredda à volume costante - u gas brusgiatu hè espulsu per u tubu di scaricu è l'aria fresca entra in u cilindru (d-a).
Basatu annantu à a spiegazione sopra, si pò cunclude chì ogni mutore termicu hà essenzialmente una sustanza di travagliu specifica. A sustanza di travagliu per un mutore à vapore hè l'acqua, a sustanza di travagliu per un mutore à benzina hè l'aria è u vapore di benzina, è a sustanza di travagliu per un mutore diesel hè l'aria è u carburante diesel. A sustanza di travagliu assorbe di solitu u calore à alta temperatura (QH), fendu un travagliu (W), poi liberendu u calore restante à una temperatura più bassa (QL). Siccomu l'energia hè cunservata, tandu QH = W + QL.
Efficienza di u mutore termicu
L'efficienza (e) di un mutore termicu hè u rapportu trà u travagliu (W) fattu da u mutore è l'apportu termicu à alta temperatura (Q).H). Matematicamente si pò scrive cusì:
W hè u prufittu chì ricevemu, mentre chì Q hè u prufittu chì ricevemu.H hè u costu chì incurremu per cumprà è brusgià carburante. Cum'è umani chì vulemu sempre ottene u più grande prufittu pussibule è a più chjuca spesa pussibule, speremu veramente chì u prufittu chì ottenemu (W) sia cummisuratu cù u costu chì incurremu (QH). Hè pussibule questu?
Basatu annantu à a cunservazione di l'energia, u calore d'ingressu (QH) deve esse uguale à u travagliu (W) fattu + u calore liberatu (Q)L). Matematicamente:
Sè vo vulete sprime l'efficienza di un mutore termicu in percentuale, basta à multiplicà l'equazione di efficienza per 100%. Basatu annantu à l'equazione di efficienza sopra, più calore hè rigettatu (QL) da un mutore termicu, menu efficiente hè u mutore termicu. Vulemu veramente a quantità di calore rigettata (QL) u menu pussibule. Tuttavia, l'apportu di calore (QH) hè generalmente ottenutu brusgiendu petroliu, carbone, gasu ecc. (u carburante chì paghemu).
Dunque, ogni mutore termicu hè essenzialmente cuncipitu per esse u più efficiente pussibule. Ancu s'è no vulemu u più grande benefiziu pussibule da a minima spesa pussibule, a realità hè chì i mutori à vapore sò tipicamente efficienti di circa u 40%, mentre chì i mutori à combustione interna sò circa u 50%. Questu significa chì a metà di u calore pruduttu da a combustione di u carburante hè sprecatu. Solu a metà hè cunvertita in energia meccanica.
Esempiu di quistione 1:
Un motore termicu assorbe 3000 Joule di calore (QH), fendu un travagliu (W) è liberendu 2500 Joule di calore (QL). Chì ghjè l'efficienza di u mutore termicu ?
Discussione
Esempiu di quistione 2:
Un motore termicu assorbe 3000 Joule di calore (QH), fendu un travagliu (W) è liberendu 2000 Joule di calore (QL). Chì ghjè l'efficienza di u mutore termicu ?
Discussione
Esempiu di quistione 3:
Un motore termicu assorbe 3000 Joule di calore (QH), fendu un travagliu (W) è liberendu 1500 Joule di calore (QL). Chì ghjè l'efficienza di u mutore termicu ?
Discussione
