5 secondo principio della termodinamica - giordy

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5 Secondo principio della termodinamica .................................................................. 2 5.1 Motori termici .................................................................................................... 2 5.1.1 Rendimenti termici .................................................................................... 3 5.2 Secondo principio della termodinamica secondo Kelvin-Planck ...................... 4 5.3 Macchine frigorifere .......................................................................................... 4 5.3.1 Coefficiente di prestazione (COP) ............................................................ 4 5.4 Pompe di calore.................................................................................................. 5 5.4.3 Coefficiente di prestazione (COP) ............................................................ 5 5.5 Secondo principio della termodinamica secondo Clasius ................................. 5 5.6 Equivalenza fra i due enunciati .......................................................................... 6 5.7 Trasformazioni reversibili e irreversibili ........................................................... 6 5.8 Il ciclo di Carnot ................................................................................................ 7 5.9 I teoremi di Carnot ............................................................................................. 8 5.10 Rendimento termodinamico di macchina reversibile e rendimento isentropico .................................................................................................................. 8 6 Entropia.................................................................................................................. 10 6.1 Diseguaglianza di Clausius .............................................................................. 10 6.2 Definizione di Entropia .................................................................................... 10 6.3 Principio dell’aumento dell’entropia (principio di non diminuzione dell’entropia) ............................................................................................................ 11 6.4 Bilancio di entropia .......................................................................................... 12 6.4.1 Sistemi Chiusi.......................................................................................... 12 6.4.2 Volumi di Controllo ................................................................................ 12 6.5 diagramma T-s ................................................................................................. 13 6.6 Variazione di entropia ...................................................................................... 14 6.6.1 solidi e liquidi .......................................................................................... 14 6.6.2 gas perfetti ............................................................................................... 15 6.7 Trasformazioni isentropiche ............................................................................ 15 6.7.1 Solidi e liquidi ......................................................................................... 15 6.7.2 Gas ideali ................................................................................................. 15 6.8 Lavoro in VC per Flusso stazionario ............................................................... 16

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Page 1: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

5 Secondo principio della termodinamica .................................................................. 2

5.1 Motori termici .................................................................................................... 2 5.1.1 Rendimenti termici .................................................................................... 3

5.2 Secondo principio della termodinamica secondo Kelvin-Planck ...................... 4 5.3 Macchine frigorifere .......................................................................................... 4

5.3.1 Coefficiente di prestazione (COP) ............................................................ 4 5.4 Pompe di calore.................................................................................................. 5

5.4.3 Coefficiente di prestazione (COP) ............................................................ 5 5.5 Secondo principio della termodinamica secondo Clasius ................................. 5 5.6 Equivalenza fra i due enunciati.......................................................................... 6 5.7 Trasformazioni reversibili e irreversibili ........................................................... 6 5.8 Il ciclo di Carnot ................................................................................................ 7 5.9 I teoremi di Carnot ............................................................................................. 8 5.10 Rendimento termodinamico di macchina reversibile e rendimento isentropico .................................................................................................................. 8

6 Entropia.................................................................................................................. 10 6.1 Diseguaglianza di Clausius .............................................................................. 10 6.2 Definizione di Entropia.................................................................................... 10 6.3 Principio dell’aumento dell’entropia (principio di non diminuzione dell’entropia) ............................................................................................................ 11 6.4 Bilancio di entropia.......................................................................................... 12

6.4.1 Sistemi Chiusi.......................................................................................... 12 6.4.2 Volumi di Controllo ................................................................................ 12

6.5 diagramma T-s ................................................................................................. 13 6.6 Variazione di entropia...................................................................................... 14

6.6.1 solidi e liquidi.......................................................................................... 14 6.6.2 gas perfetti ............................................................................................... 15

6.7 Trasformazioni isentropiche ............................................................................ 15 6.7.1 Solidi e liquidi ......................................................................................... 15 6.7.2 Gas ideali ................................................................................................. 15

6.8 Lavoro in VC per Flusso stazionario ............................................................... 16

Page 2: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

5 Secondo principio della termodinamica Le trasformazioni avvengono spontaneamente in solo verso. (sistema che si fredda se in ambiente a T minore) Il lavoro si converte spontaneamente in calore (viceversa no)

Serbatoi di energia termica (sorgenti o pozzi) Sistemi capaci di scambiare energia termica senza variare la loro temperatura

5.1 Motori termici

• ricevono calore da una sorgente ad alta temperatura • convertono parte di questo calore in lavoro • Cedono il rimanente calore ad un pozzo a

temperatura minore • Funzionano secondo un ciclo • Lavorano utilizzando un fluido (fluido evolvente)

Page 3: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

Es. impianto a vapore

euun LLL −=, Per il primo principio, essendo 0=∆u (ciclo chiuso)

uenun QQQL −==,

5.1.1 Rendimenti termici

Efficienza = energia ottenuta/energia fornita Per motore termico

101 <η<−=−

==η te

u

e

ue

e

u,nt Q

QQ

QQQL

Tipo motore tη (circa) Accensione comandata (benzina) 0.2 Diesel 0.3 Impianti turbina a gas 0.3 Impianti a vapore 0.4

Quindi Qu è elevato…… Serbatoi a Ts e Ti con macchina ciclica che opera asportando Qs e fornendo Ln,u e Qi (scarico)

Page 4: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

5.2 Secondo principio della termodinamica secondo Kelvin-Planck Per qualsiasi apparecchiatura che operi secondo un ciclo è impossibile ricevere calore da una sola sorgente e produrre una quantità di calore utile Nessun motore termico può avere efficienza del 100% Un motore termico deve sempre scambiare calore con una sorgente e con un pozzo 5.3 Macchine frigorifere

• prelevano calore da un pozzo a bassa temperatura (effetto utile) • assorbono lavoro • Cedono calore ad un serbatoio a temperatura maggiore • Funzionano secondo un ciclo • Lavorano utilizzando un fluido (fluido evolvente)

Es frigorifero

5.3.1 Coefficiente di prestazione (COP)

is

i

u,n

iF QQ

QLQCOP

−==

Page 5: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

5.4 Pompe di calore

• prelevano calore da un pozzo a bassa temperatura • assorbono lavoro • Cedono calore ad un serbatoio a temperatura

maggiore(effetto utile) • Funzionano secondo un ciclo • Lavorano utilizzando un fluido (fluido evolvente)

5.4.3 Coefficiente di prestazione (COP)

is

s

u,n

sPdC QQ

QLQCOP

−==

1+= FPdC COPCOP

5.5 Secondo principio della termodinamica secondo Clasius

È impossibile realizzare una macchina con funzionamento ciclico il cui unico effetto sia il trasferimento di una quantità di calore da un corpo a bassa temperatura ad un altro a temperatura maggiore

Page 6: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

5.6 Equivalenza fra i due enunciati

5.7 Trasformazioni reversibili e irreversibili Trasformazione reversibile:

trasformazione che può essere eseguita in senso inverso senza che se ne trovi traccia nell’ambiente circostante

trasformazione tale che la trasformazione inversa riporti il sistema e l’ambiente nelle condizioni iniziali

Trasformazione irreversibile = non reversibile Le trasformazioni reversibili:

sono ideali Forniscono il massimo di lavoro Richiedono il minimo lavoro

Le irreversibilità sono dovute a : attrito espansioni o/e compressioni NON quasi statiche Scambio termico

Page 7: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

Trasformazione internamente reversibile = reversibilità per il sistema Trasformazione esternamente reversibile = reversibilità per l’ambiente Trasformazione (totalmente) reversibile = reversibilità per il sistema+ambiente

5.8 Il ciclo di Carnot

Ciclo motore reversibile Due isoterme reversibili e due adiabatiche reversibili Può essere anche compiuto all’inverso Esempio con gas e sistemi chiusi

Page 8: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

5.9 I teoremi di Carnot Il rendimento di un motore termico irreversibile è sempre inferiore a quello di uno reversibile operante tra le due stesse riserve di calore. I rendimenti di tutti i motori termici reversibili operanti tra le due stesse riserve di calore sono gli stessi Dimostrazione per assurdo che porta a macchine in contrasto con il secondo principio della termodinamica 5.10 Rendimento termodinamico di macchina reversibile e rendimento isentropico

i

s

iC

sCisB

i

s

isAi

srev,t

TT

)T(f)T(f)T,T(f

QQ

)T,T(fQQ

21

1

===

=−=η

In quanto dipendente solo dalle sorgenti

1) perché vale anche deve valere anche con sorgenti intermedie

)T,T(f)T,T(fQQ

QQ

QQ

imBmsBi

m

m

s

i

s ⋅==

2) scelta arbitraria della fC dovuta a Lord Kelvin Utilizzando come serbatoio l’acqua al punto triplo e imponendogli Ti = 273.16 (K) si può sempre calcolare la T dell’atro serbatoi di una macchina di Carnot operante fra questi due serbatoi

Per una macchina diretta di Carnot s

irev,t T

T−=η 1

Per un frigorifero di Carnot 1

1

−=

i

srev,F

TTCOP

Per una pompa di calore di Carnot s

irev,PDC

TTCOP

−=

1

1

Page 9: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

rendimento isentropico

revisen

rev,t

tisen

COPCOP

ηη

se isenη <1 allora la macchina funziona in maniera irreversibile se isenη =1 allora la macchina funziona in maniera reversibile se isenη >1 allora la macchina è impossibile da realizzare

Page 10: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

6 Entropia 6.1 Diseguaglianza di Clausius

Vale per tutti i cicli termodinamici chiusi T = Temperatura assoluta (K) misurata alla superficie di scambio

Se il ciclo è (internamente) reversibile: ∫ =δ 0TQ

6.2 Definizione di Entropia

∫ =

δ 0

.rev.intTQ

Definisce una nuova grandezza di stato chiamata entropia

δ=

KJ

TQdS

.rev.int

Variazione di entropia durante una trasformazione internamente reversibile

δ=−=∆ ∫ K

JTQSSS

.rev.int

2

112

Solo variazione, non valore assoluto La differenza di entropia viene calcolata su una trasformazione almeno internamente reversibile. Se si vuole calcolare la variazione di entropia per una trasformazione irreversibile, si dovrà utilizzare una trasformazione reversibile che collega i due stati iniziale e finale

Page 11: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

6.3 Principio dell’aumento dell’entropia (principio di non diminuzione dell’entropia)

TQdS

TQSSS

SSTQ

TQ

TQTQ

.rev.int

δ≥

δ≥−=∆

≤−+δ

δ+

δ

≤δ

∫ ∫

2

112

2

121

2

1

1

2

0

0

0

Se la trasformazione è irreversibile

TQdS

S;STQS

TQSSS

gengen

δ>

>+δ

=∆

δ>−=∆

02

1

2

112

Se la trasformazione è (internamente) reversibile

TQdS

STQSSS

gen

δ=

=

δ=−=∆ ∫

0

2

112

Se il sistema è isolato (adiabatico = 0=δQ )

0≥=∆ genSS Durante una trasformazione l’entropia di un sistema isolato non diminuisce mai; al più rimane costante se la trasformazione è reversibile

Page 12: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

Sgen > 0 trasformazione irreversibile Sgen = 0 trasformazione reversibile Sgen < 0 trasformazione impossibile

Le trasformazioni possono avvenire spontaneamente solo in modo che 0≥genS L’entropia si conserva solo durante le trasformazioni reversibili (ideali) L’entropia non si conserva durante le trasformazioni reali Nell’universo (sistema isolato con trasformazioni reali) l’entropia aumenta

sempre L’entropia generata è “misura” delle irreversibilità delle trasformazioni reali Quanto più è piccola l’entropia generata, quanto più siamo vicini ad una

trasformazione reversibile L’entropia è “indice del grado di disordine” generato dalla trasformazione

6.4 Bilancio di entropia Variazione di entropia = entropia scambiata +entropia generata per scambio termico o/e di massa 6.4.1 Sistemi Chiusi

+=

+=−

contornokpuntigen

k

k

contornokpuntigen

k

k

KWS

TQ

dtdS

KJS

TQSS

&&

12

Se il sistema è adiabatico

012 =− SS con trasformaz. (internamente) reversibili 012 >=− genSSS con trasformaz. irreversibili

6.4.2 Volumi di Controllo

∑ ∑ ∑

+−+=

contornokpuntigenuuee

k

k

KWSsmsm

TQ

dtdS &&&

&

Se VC con trasform. con flusso stazionario

∑ ∑ ∑

+−+=

contornokpuntigenuuee

k

k

KWSsmsm

TQ &&&&

0

VC a flusso staz. ad una corrente

+−+=

contornokpuntigenue

k

k

KWS)ss(m

TQ &&&

0

Page 13: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

VC a flusso staz. ad una corrente adiabatico

+−=

KWS)ss(m genue

&&0

es. nel moto in un tubo adiabatico l’entropia aumenta a causa dell’attrito 6.5 diagramma T-s

( )∫=

=δ2

1

JTdSQ

)J(TdSQ

.rev.int

.rev.int

Note

Trasformazione internamente reversibile e adiabatica>linea verticale>Q=0

Ciclo di Carnot = un rettangolo Per trasformazione isoterma

internamente reversibile Q=T0(S2-S1)

( )∫=

=δ2

1

kg/JTdsq

)kg/J(Tdsq

.rev.int

.rev.int

Page 14: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

6.6 Variazione di entropia

pdvduTdspdVdUTdS

dULQpdVLTdsQ

.rev.int

.rev.int

+=+=

=δ−δ=δ=δ

Prima equaz.Tds

vdpdhTdspdvduTds

vdppdvdudhpvuh

−=+=

++=+=

Seconda equaz.Tds

Combinazione di variabili di stato > valgono sempre:

per trasformazioni reversibili per trasformazioni irreversibili per sistemi chiusi per sistemi aperti

Tvdp

Tdhds

Tpdv

Tduds

−=

+=

6.6.1 solidi e liquidi

=−

=−

==

==

KkgJ

TTlncss

TdT)T(css

TcdT

Tduds

cdTdudv

med1

212

2

112

0

Page 15: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

6.6.2 gas perfetti

pdpR

TdTcds

vdvR

TdTcds

p

v

−=

+=

−=−

+=−

1

21

212

1

21

212

pplnR

TdT)T(css

vvlnR

TdT)T(css

p

v

−=−

+=−

KkgJ

pplnR

TTlncss

KkgJ

vvlnR

TTlncss

med,p

med,v

1

2

1

212

1

2

1

212

6.7 Trasformazioni isentropiche

Adiabatiche internamente reversibili

=

KkgJss 21

6.7.1 Solidi e liquidi

121

2 0 TTTTlncmed =⇒=

6.7.2 Gas ideali

( )

1

2

1

1

2

1

2

1

1

2

2

1

1

2

1

2

1

2 1

=

=

=

−=−

−=−=

k

tcoss

kv

vp

v

vv

TT

vvln

TTln

vvlnk

vvln

ccc

vvln

cR

TTln

Page 16: 5 Secondo principio della termodinamica - Giordy

tcospvvv

pp

tcosTppp

TT

tcosTvvv

TT

kk

tcoss

kkk

k

tcoss

kk

tcoss

=⇒

=

=⇒

=

=⇒

=

=

−−

=

=

2

1

1

2

11

1

2

1

2

11

2

1

1

2

6.8 Lavoro in VC per Flusso stazionario

pcrevpcpcrevrev dedevdpqdedevdpTdsdededhlq +++δ=+++=++=δ−δ

pcrev eevdpl ∆+∆+−= ∫2

1

a sistema fermo ∫−=2

1vdplrev

per liquidi ad un solo flusso

−+

−+−=

kgJ)zz(gww)pp(vlrev 12

21

22

21 2

per liquidi ad un solo flusso in assenza di lavoro (equazione di Bernoulli)

−+

−+−=

kgJ)zz(gww)pp(v 12

21

22

21 20