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, cumunemente chjamati prucessi irreversibili. Dopu esse statu liberatu da u so gambu è esse cascatu liberamente in terra, un mango ùn si move mai più in sù. Un libru chì spinghjemu è dopu fermemu ùn si move mai versu di noi. Sè tuccemu un oggettu à alta temperatura (oggettu caldu) cù un oggettu à bassa temperatura (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, allora l'oggettu fretu diventerebbe più fretu, mentre chì l'oggettu caldu diventerebbe più caldu. Ma in realtà, ùn hè micca cusì. Ci sò parechji prucessi irreversibili chì parenu diversi l'uni da l'altri, ma tutti implicanu cambiamenti in a forma di 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.
Untuk menjelaskan proses termodinamika yang terjadi hanya pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822‐1888) membuat sebuah pernyataan berikut :
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 di u cuncettu di cumpressione è espansione adiabatica, spiegata in a 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 s'accende subitu. Ùn ci hè bisognu di una candela. Nutate u valore di pressione mostratu in u diagrama sottu. Paragunatelu cù u valore di pressione mostratu 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 basicamente 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, a sustanza di travagliu per un mutore diesel hè l'aria è u diesel. A sustanza di travagliu assorbe di solitu u calore à alta temperatura (Q H ), face u travagliu (W), poi libera u calore restante à una temperatura più bassa (Q L ). Siccomu l'energia hè cunservata, allora Q H = W + Q L.
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 di calore à alta temperatura (Q H ). Matematicamente, si pò scrive cusì:
W hè u prufittu chì ricevemu, mentre chì QH 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 u principiu di cunservazione di l'energia, u calore in entrata (Q H ) deve esse uguale à u travagliu (W) fattu + u calore liberatu (Q L ). Matematicamente:
Per sprime l'efficienza di un mutore termicu cum'è 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 hè efficiente. Ci piacerebbe assai avè u menu calore rigettatu (QL ) pussibule. Tuttavia, l'apportu termicu (QH ) hè generalmente ottenutu brusgiendu petroliu, carbone, gasu, ecc. (carburanti 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 mutore termicu assorbe 3000 Joule di calore (Q H ), esegue un travagliu (W) è libera 2500 Joule di calore (Q L ). Chì ghjè l'efficienza di u mutore termicu ?
Discussione
Esempiu di quistione 2:
Un mutore termicu assorbe 3000 Joule di calore (Q H ), face travagliu (W) è libera 2000 Joule di calore (Q L ). Chì ghjè l'efficienza di u mutore termicu ?
Discussione
Esempiu di quistione 3:
Un mutore termicu assorbe 3000 Joule di calore (Q H ), face travagliu (W) è libera 1500 Joule di calore (Q L ). Chì ghjè l'efficienza di u mutore termicu ?
Discussione
