Ingegneria Termica: Fondamenti e Principi
I fondamenti delle termodinamiche ingegneristiche svolgono un ruolo importante nel progredire verso un mondo migliore, migliorando le prestazioni della pianta, dell'equipaggiamento e del loro design complessivo.
I fattori critici per valutare le prestazioni dell'equipaggiamento includono elementi come il prodotto finale, il consumo di materie prime, i costi di produzione e la valutazione dell'impatto sull'ambiente. Gli ingegneri oggi utilizzano il concetto di termodinamica per esaminare e reinventare cose destinate alla sicurezza e al comfort umano.
La scienza della termodinamica esiste dal XIXesimo secolo. Da allora, scienziati e ingegneri hanno fatto uno sforzo costante e continuo per renderla il più user-friendly possibile.
Fondamenti della Termodinamica
La parola termodinamica deriva dalla parola greca "therme" (che significa calore) e "dynamis" (che significa forza). I professionisti dell'ingegneria sono interessati a studiare i sistemi e la loro interazione con l'ambiente circostante.
I concetti/definizioni utilizzati in questa sezione sono utili per i lettori per comprendere il concetto di termodinamica ingegneristica (talvolta chiamata Ingegneria Calore-Potenza)
Sistema, Ambiente Circostante e Universo
Un sistema è ciò che vogliamo studiare e in cui siamo interessati, quindi il primo passo è fissare con precisione l'obiettivo dello studio del sistema. L'obiettivo dello studio del sistema può essere migliorare l'efficienza del sistema o ridurre le perdite, ecc. Un esempio di sistema può essere l'analisi del ciclo di refrigerazione in una cella frigorifera o l'analisi del ciclo Rankine in una centrale elettrica.
Un sistema è definito come una massa definita di sostanza pura racchiusa da una superficie chiusa o flessibile; analogamente, la composizione della materia all'interno del sistema può essere fissa o variabile a seconda del ciclo.
Le dimensioni del sistema non sono necessariamente costanti (come l'aria in un compressore compressa da un pistone) possono essere variabili (come un palloncino gonfiato). La materia che interagisce con il sistema esternamente è chiamata ambiente circostante e l'universo è l'esito del sistema e dell'ambiente circostante.
L'elemento che separa il sistema dal suo ambiente circostante è chiamato confine. Il confine del sistema può essere fisso o in movimento.
L'interazione tra il sistema e l'ambiente circostante avviene attraversando il confine e quindi svolge un ruolo molto importante nella termodinamica (cioè nell'ingegneria calore-potenza).
Tipi di Sistema nella Termodinamica
Ci sono due tipi fondamentali di sistemi nella termodinamica:
Sistema Chiuso o Massa Controllata: è associato a una quantità definita di materia. A differenza di un sistema aperto, in un sistema chiuso, non c'è flusso di massa attraverso il confine del sistema. Esiste anche un tipo speciale di sistema chiuso che non interagisce e si isola dall'ambiente circostante, chiamato sistema isolato.
Volume Controllato (Sistema Aperto): Il volume controllato è limitato a una regione dello spazio attraverso cui massa ed energia possono fluire e attraversare il confine del sistema. Il confine di un sistema aperto è chiamato superficie controllata; questa superficie controllata può essere reale o immaginaria.
Esempi di volume controllato sono tipi di attrezzature che coinvolgono il flusso di massa attraverso il confine del sistema, come il flusso d'acqua attraverso pompe, il flusso di vapore in turbine e il flusso d'aria attraverso compressori d'aria.
Termodinamica Microscopica
L'approccio microscopico nella termodinamica, anche chiamato termodinamica statistica, è associato alla struttura della materia e l'obiettivo della termodinamica statistica è caratterizzare il comportamento medio delle particelle che compongono il sistema di interesse e, in tal modo, utilizzare queste informazioni per osservare il comportamento macroscopico del sistema.
Proprietà, Stati e Processi Termodinamici
Proprietà Termodinamica
Una proprietà termodinamica è una caratteristica macroscopica di un sistema. Il valore di una proprietà può essere assegnato in qualsiasi momento senza la conoscenza del valore precedente e del suo comportamento.
Proprietà Estensiva
Le proprietà dipendenti dalla massa sono chiamate proprietà estensive e il suo valore per il sistema complessivo è la somma dei suoi valori per le parti in cui il sistema è diviso. Esempi di proprietà estensive sono Volume, Energia e Massa. Le proprietà estensive dipendono dalle dimensioni del sistema e possono cambiare nel tempo.
Proprietà Intensiva
In contrasto con la proprietà estensiva, una proprietà intensiva non dipende dalla massa e non è additiva per natura e non dipende dalle dimensioni totali del sistema. Può variare in diversi punti all'interno del sistema in qualsiasi momento. Esempi di proprietà intensiva sono pressione e temperatura.
Stato Termodinamico
Uno stato è definito come la condizione di un sistema che è meglio descritta dalle sue proprietà. La massa racchiusa in un sistema può trovarsi in una varietà di condizioni uniche, chiamate stati. Ci sono relazioni tra le proprietà di un sistema, ma lo stato può essere specificato fornendo il valore di un sottoinsieme delle proprietà.
Processo Termodinamico
I processi termodinamici sono la conversione di uno stato in un altro stato. Se il valore della proprietà macroscopica in un sistema a due tempi diversi è identico, allora il sistema si dice nello stesso stato in quel momento. La condizione di stato stazionario del sistema è raggiunta se nessuna delle sue proprietà cambia rispetto al tempo.
Ciclo di Equilibrio del Sistema
Un ciclo di equilibrio termodinamico è un processo sequenziale che inizia e termina con la condizione dello stesso stato. Quando il ciclo si completa, tutte le sue proprietà hanno lo stesso valore che avevano all'inizio. Tutti i cicli che si ripetono regolarmente svolgono un ruolo vitale in molte aree di applicazione, come la circolazione del condensato in una centrale termoelettrica che esegue un ciclo.
Sostanza Operativa
La teoria della materia è utile per comprendere il concetto di energia. La materia è nota per la sua massa, volume e occupazione dello spazio, indipendentemente dalla sua struttura e natura, ha certe caratteristiche come coerenza e affidabilità. La materia è composta da un gran numero di particelle chiamate molecole. Si possono trovare materiali solidi, liquidi o gassosi ovunque.
Nella materia solida, le molecole sono vicine tra loro e fortemente legate e non possono muoversi liberamente. Quindi, è richiesta una grande forza per cambiarne la forma.
Le molecole in una materia liquida non sono tenute fermamente e quindi una forza molto piccola è sufficiente a mantenere le molecole insieme.
In uno stato gassoso, le molecole si muovono casualmente e liberamente, come se fossero in uno stato non vincolato, quindi si muovono molto velocemente indipendentemente dalle molecole adiacenti. La compressibilità è associata ai gas, che hanno molti spazi vuoti tra le molecole connesse. L'energia è la ragione per cui la materia esiste in diverse fasi.
Sostanza Pura
Materiale di struttura chimica singola o omogeneità in struttura chimica variante è noto come sostanza pura. Il materiale può esistere in una singola fase, come liquido, o può anche esistere in più fasi in equilibrio tra loro. Una miscela uniforme di gas con composizione chimica simile è anche definita come sostanza pura.
L'importanza della sostanza pura sta nella determinazione delle proprietà della sostanza operativa in diverse condizioni di pressione e temperatura.
Esempio: Per una sostanza pura come l'acqua, può essere completamente descritta da due proprietà intensive sovrane definite come pressione e temperatura. Un'altra sostanza pura è l'aria nello stato gassoso. Ma per una sostanza non omogenea, sono necessarie più di due proprietà per descrivere lo stato.
Equilibrio Termodinamico
In meccanica, si dice che l'equilibrio è stato raggiunto quando si eguagliano le forze opposte. Ma il significato di equilibrio termodinamico è diverso e più ampio, poiché implica un bilanciamento per molte altre influenze (tra sistema
