macchinetermiche sono dispositivi in grado di trasformare l'energia termica in lavoro meccanico. Ogni macchina termica ha bisogno di una fonte di calore e di una sostanza operante capace di modificarsi di volume e, di conseguenza, di muovere qualche meccanismo, come valvole o pistoni.
voi motori a combustione interna, come quelli che guidano le auto di oggi, sono esempi di macchine termiche. Assorbono il calore prodotto dalla combustione di una miscela di combustibile e aria, che viene periodicamente iniettata nei loro cilindri.
In questo modo, parte dell'energia che si sprigiona durante l'esplosione viene convertita in lavoro, attraverso il movimento del pistone - una delle parti mobili del motore, utilizzata per convertire l'energia termica in energia cinetica.
Come funzionano le macchine termiche?
Tutte le macchine termiche funzionano secondo a cicloTermodinamico, cioè sequenze di stati termodinamici che si ripetono. Questi cicli hanno diversi stati di volume, pressione e temperatura, che di solito sono rappresentati da grafici di pressione in funzione del volume. I cicli termodinamici sono progettati alla ricerca di una maggiore efficienza energetica, ovvero si ricerca sempre la produzione di motori in grado di estrarre una grande quantità di lavoro.
In qualsiasi ciclo termodinamico è possibile calcolare graficamente il lavoro. Pertanto, è necessario calcolare l'area dell'interno del grafico, operazione che può essere complicata se il ciclo in questione ha una forma irregolare. Inoltre il verso delle frecce, orario o antiorario, indica se il ciclo in questione è il ciclo di una macchina termica o di un frigorifero. Check-out:
Ciclo orario: Se il senso del ciclo è orario, il ciclo è quello di una macchina termica, che assorbe calore e produce lavoro.
Ciclo antiorario: Nel caso in cui il senso di un ciclo sia antiorario, ha bisogno di ricevere lavoro meccanico e rilasciare calore, come nel caso dei motori dei frigoriferi.
Ogni macchina termica ha una configurazione simile: ha un fontenelcalore (sorgente calda), da cui estrae l'energia necessaria al suo funzionamento, e a Lavello (sorgente fredda), dove viene dissipata parte del calore assorbito. Nota il seguente schema:
Secondo il primo principio della termodinamica, le macchine termiche hanno bisogno di ricevere una certa quantità di calore per funzionare. Tuttavia, solo una piccola frazione di quella quantità di calore, che è una forma di energia, può essere convertito in lavoro utile.
Le ragioni di questa limitazione sono essenzialmente due: la prima riguarda la capacità tecnica di produrre una macchina che non dissipa energia – che è impossibile – e la seconda è una limitazione della natura stessa: per la 2° legge della Termodinamica, nessuna macchina termica può presente a dare la precedenza 100%. Scopri cosa dice la seconda legge della termodinamica, nota come legge dell'entropia, secondo la dichiarazione di Kelvin:
"Non è possibile per nessun sistema, ad una certa temperatura, assorbire calore da una sorgente e trasformarlo completamente in lavoro meccanico, senza modifiche a questo sistema o al suo quartieri».
La dichiarazione di Kelvin riguarda il conversioneintegrante di calore nel lavoro meccanico, affermando che questo è impossibile senza che si verifichino "cambiamenti" nel sistema. Questo cambiamento si riferisce all'effetto dell'entropia: quando si rimuove il calore da una fonte calda, parte di quell'energia viene degradata in forme di energia meno utili. I processi di degrado energetico sono molteplici: vibrazione delle parti meccaniche, attrito tra parti e cuscinetti, calore dissipato all'ambiente esterno, produzione di rumori udibili, ecc.
Vedi anche: Scopri la storia delle macchine termiche
Mappa mentale: macchine termiche
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Prestazioni delle macchine termiche
L'efficienza di qualsiasi macchina termica può essere calcolata come il rapporto tra il lavoro meccanico che produce e la quantità di calore che assorbe da una fonte calda:
η - Prestazione
τ – Lavoro meccanico (J – joule o lime – calorie)
QQ – Calore da fonte calda (J - joule o lime - calorie)
Il lavoro meccanico, a sua volta, è determinato dalla differenza tra le quantità di calore “caldo” e “freddo”, quindi, possiamo scrivere le prestazioni delle macchine termiche attraverso queste le quantità:
QF – calore ceduto alla sorgente fredda
Cercando di determinare quali sarebbero le caratteristiche del ciclo termodinamico “perfetto”, il fisico francese Sadicarnot sviluppato un ciclo che, almeno teoricamente, presenta la più grandeefficienzapossibile per una macchina termica che opera alle stesse temperature.
Questo ciclo, noto come Ciclo di Carnot, popolarmente chiamato macchina del carnot, non è una macchina reale, poiché fino ai giorni nostri, impossibilità tecniche e pratiche hanno impedito la costruzione di una tale macchina.
Vedi anche:Cos'è il calore latente?
Teorema di Carnot
oh teoremanelcarnot, enunciato nel 1824, stabilisce che anche la macchina termica ideale, che non dissipa alcuna quantità di energia per attrito tra sue parti in movimento, ha un limite massimo di resa, che dipende dal rapporto tra le temperature della sua sorgente calda e fredda, dato in Kelvin:
TQ – Temperatura sorgente calda (K)
TF – Temperatura sorgente fredda (K)
Analizzando la formula sopra, è possibile vedere che la macchina termica ideale ha le sue prestazioni determinate esclusivamente dalle temperature delle sue sorgenti calde e fredde. Inoltre, affinché la sua resa sia del 100%, sarebbe necessario che TF era zero, cioè 0 K, la temperatura dello zero assoluto. Tuttavia, secondo il 3° Legge della Termodinamica, tale temperatura è irraggiungibile.
La formula del rendimento sopra riportata è valida solo per le macchine termiche che funzionano secondo il ciclo di Carnot. Inoltre, il teorema mostra anche che il rapporto delle temperature TF e TQ è uguale al rapporto tra le quantità di calore QF e QQ:
Vedi anche:Ulteriori informazioni sulle prestazioni della macchina termica
Ciclo di Carnot
oh Ciclo di Carnot si svolge in quattro fasi (o quattro battute). Questo ciclo è formato da due trasformazioni adiabatiche sono le due trasformazioni isoterme. Le trasformazioni adiabatiche sono quelle in cui non c'è scambio termico, mentre le trasformazioni isoterme sono quelle in cui non c'è variazione di temperatura e, di conseguenza, l'energia interna della sostanza di lavoro responsabile del movimento del motore termico rimane costante.
La figura seguente rappresenta il ciclo di Carnot e le sue quattro fasi. Check-out:
I - Espansione isotermica: In questa fase, la sostanza di lavoro si espande, mantenendo la sua temperatura costante, esegue il lavoro e riceve calore dalla fonte calda.
II - Espansione adiabatica: In questa fase, la sostanza di lavoro si espande leggermente e funziona senza ricevere calore.
III - Contrazione isotermica: In questa fase il volume del gas diminuisce, la sua pressione aumenta e la sua temperatura rimane costante, inoltre il gas cede calore alla sorgente fredda. In questa fase, viene eseguito il lavoro sul gas.
IV - Contrazione adiabatica: Il gas ha un rapido aumento di pressione e poca diminuzione di volume, ma non scambia calore durante il processo.
Ciclo Otto
Il ciclo Otto è una sequenza di trasformazioni fisiche subite da alcune sostanze di lavoro come benzina o etanolo. Questo ciclo è ampiamente utilizzato nei motori a combustione interna che alimentano la maggior parte dei veicoli passeggeri. Sebbene non esista in pratica, il ciclo di Otto è stato progettato per approssimare un ciclo di Carnot. La figura seguente mostra le fasi del ciclo Otto.
IO - Processo 0-1: Ammissione isobarica: In questo processo, una miscela di aria e benzina viene immessa dal motore a pressione costante;
II- Processo 1-2: compressione adiabatica – In questo processo si ha un rapido aumento della pressione che viene esercitata dai pistoni del motore, per cui non c'è tempo per lo scambio di calore;
III - Processo 2-3-4: Combustione a volume costante (2-3) ed espansione adiabatica (3-4) - Una piccola scintilla produce un'esplosione controllata nella miscela di aria e benzina e poi il pistone del il motore scende rapidamente, provocando un aumento di volume e producendo una grande quantità di lavoro;
IV - Processo 4-1-0: Esaurimento isobarico – Le valvole di scarico si aprono e lasciano uscire dal motore i fumi del combustibile in combustione a pressione costante.
I passaggi sopra spiegati sono mostrati nella figura seguente, che rappresenta i passaggi operativi di a motore a quattro tempi, alimentato a benzina o alcool. Il movimento del pistone in ciascuna delle posizioni mostrate è equivalente ai processi descritti:
Esempi di macchine termiche
Esempi di macchine termiche sono:
Motori a combustione interna, come quelli alimentati ad alcool, benzina e diesel;
Motori a vapore;
Centrali termoelettriche.
Macchine Termiche e Rivoluzione Industriale
Le macchine termiche hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo tecnologico della società. Dopo perfezionato da JamesWatt, le macchine termiche alimentate a vapore hanno permesso la rivoluzione industriale, cambiando radicalmente il mondo.
Vuoi saperne di più su questo argomento? Accedi al nostro testo su Rivoluzione industriale.
Frigoriferi
I frigoriferi, o macchine frigorifere, sono macchine termiche invertite. In questi dispositivi è necessario operare sotto il gas all'interno del motore in modo che si espanda assorbendo calore dall'ambiente circostante. Esempi di frigoriferi sono: frigoriferi, congelatori e aria condizionata.
Se vuoi saperne di più su come funziona questo tipo di macchina, visita il nostro testo su funzionamento e proprietà dei frigoriferi.
Esercizi su macchine termiche
Esercizio 1) Una macchina termica riceve 500 J di calore da una sorgente calda ad ogni ciclo di funzionamento. Se questa macchina dissipa 350 J di calore nel suo dissipatore freddo, quale sarà la sua efficienza energetica in percentuale?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Modello: lettera C
Risoluzione:
L'esercizio fornisce la quantità di calore necessaria alla macchina per funzionare durante un ciclo, quindi possiamo determinarne le prestazioni utilizzando la formula che mette in relazione QQ e QF, Guarda:
Il calcolo di cui sopra indica che solo il 30% dell'energia termica disponibile al motore ad ogni ciclo si trasforma in lavoro meccanico.
Esercizio 2) Una macchina operante sul ciclo di Carnot ha le sue temperature sorgente calda e fredda rispettivamente di 600 k e 400 k. Questa macchina dissipa 800 j di calore alla sua fonte di temperatura più bassa ogni ciclo. Calcolare la quantità di calore caldo assorbito dalla macchina ad ogni ciclo e la sua efficienza in percentuale, quindi segnare l'alternativa corretta.
a) 67% e 320 j
b) 33% e 1200 j
c) 33% e 1900 j
d) 62% e 1900 j
e) 80% e 900 j
Modello: Lettera b
Risoluzione:
Innanzitutto, calcoliamo l'efficienza del motore termico in questione. Per questo, utilizzeremo le temperature delle sorgenti calde e fredde:
Utilizzando i valori di temperatura indicati nella dichiarazione, dobbiamo risolvere il seguente calcolo:
Per calcolare la quantità di calore che la macchina assorbe in ogni ciclo è semplice, basta usare il teorema di Carnot:
Per risolvere il calcolo, basta sostituire i dati dell'esercizio nella formula sopra.
Di Me. Rafael Helerbrock
Fonte: Scuola Brasile - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
