COPERTINA
LE TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE
(vedi PAGINETTE DI TERMODINAMICA in particolare LAVORO E CALORE)
Letteralmente termodinamica significa dinamica o movimento del calore. Nella fisica si intende invece "studio dei fenomeni che avvengono in un aeriforme fornendo o sottraendo calore".
Le trasformazioni termodinamiche descrivono tali fenomeni e le condizioni iniziali e finali dell'aeriforme utilizzato.
In generale lo studio delle trasformazioni avviene in due fasi: 1) utilizzo di un aeriforme ideale in una macchina motrice ideale; 2) variazioni da apportare per tener conto della realtà.
La prima fase, che generalmente appare senza significato, è in realtà utilissima poiché fornisce il limite non superabile nelle condizioni operative. Se infatti nella situazione ideale il rendimento è del 30%, risulta chiaro che non possiamo ottenere nelle nostre macchine motrici un rendimento superiore e ci accontenteremo di avvicinarlo il più possibile studiando la tecnica appropriata.
E' relativamente facile sentir dire che un gas ideale in una macchina motrice ideale ha rendimento unitario, ma ciò non è vero. Qualunque macchina che funzioni usando calore deve per forza di cose perderne una certa quantità, altrimenti non si ha movimento di calore: il calore si muove infatti solo quando può passare da un luogo a temperatura maggiore (sorgente calda) verso un luogo a temperatura inferiore (sorgente fredda). Ma questa non sarà mai alla temperatura zero assoluto (-273 °C) e quindi lo scarico non avverrà mai con calore zero.
D'altra parte le stesse equazioni che noi utilizziamo sono una approssimazione di quelle reali e portano a veri assurdi fisici se volessimo adoperarle in tutte le condizioni. L'equazione di stato
p v = R T
valida per i gas perfetti o ideali ci assicura che alla temperatura di 0 °K deve essere p = 0 oppure v = 0 ed entrambe le condizioni sono fisicamente non accettabili perché significano che "non c'è più gas"! Ne segue che nella realtà operativa dobbiamo tenerci ben lontani da tale stato. Inoltre si deve considerare che per raggiungere tale condizione di temperatura dobbiamo usare una macchina termica, che a sua volta ha un rendimento inferiore a uno, peggiorando la situazione.
Le trasformazioni generalmente utilizzate sono:
1) isobara: avviene a pressione costante: p = cost = p0 quindi Dp = 0. Equazione: v = RT/ p0.
2) isocora: avviene a volume costante: v = cost = v0 quindi Dv = 0. Equazione: p = RT/ v0.
3) isoterma: avviene a temperatura costante: T = cost = T0 quindi DT = 0. Equazione: pv = RT0.
4) adiabatica: avviene senza scambio di calore con l'esterno: Q = cost quindi DQ = 0.
Equazione: pvk = cost con k = cp/cv; per l'aria k = 1,41.
5) isoentropica: avviene ad entropia costante: S = cost = S0 quindi DS = 0.
6) isoentalpica: avviene ad entalpia costante: h = cost = h0 quindi Dh = 0.
7) politropica: avviene in forma simile alla adiabatica. Equazione: pvn = cost.
L'equazione di stato pv = RT è però utilizzabile soltanto per i gas; nel caso delle macchine a vapore è assolutamente necessario servirsi di altre formule, o meglio delle apposite tabelle o dei diagrammi laddove esistano.
Le trasformazioni adoperate, almeno in via preliminare, sono sempre quelle elencate, ma le condizioni fisiche e termodinamiche del vapore ben difficilmente vengono calcolate. I cicli vengono disegnati sui diagrammi come quello di Mollier, ricavando i valori di S e di h da introdurre nelle formule.
Per gli stati non riportati nel diagramma di Mollier, si ricorre alle tabelle del liquido e del vapore saturo, nelle quali sono riportati i valori di pressione, temperatura, entropia, entalpia, volume e calore di vaporizzazione. Con tali numeri è facile stabilire tutti i parametri fisici e termodinamici che riguardano l'impianto e il vapore prodotto.
Usando gli stessi numeri è possibile stabilire ad esempio il consumo di combustibile, e quindi i volumi necessari per il suo stoccaggio, la frequenza degli approvvigionamenti, ecc.