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Le sostanze

Cl

Na

NaCl Solido

forma e volume propri

H2O

δ-

δ+ H

Liquido

volume propri, forma dell’oggetto che contiene

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Aeriforme

né forma né volume proprioné forma né volume proprio

gli stati di equilibrio della sostanza e possono essere presentati

in forma grafica, in tabelle, oppure ricavando da essi per

regressione delle equazioni semiempiriche dette equazioni di

stato. Tale presentazione dei punti in equilibrio di stato può essere

fatta utilizzando un diagramma tridimensionale che riporti sui tre assi coordinati p, v, T

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Gas ideale

equazione di Clapeyron o equazione di stato del gas ideale

Essa descrive il legame tra le grandezze di stato p, V, T di un

gas a bassa pressione e assume la forma seguente:

p V = n R* T

n = numero di moli del gas

R* = costante universale dei gas perfetti pari a 8314,3

[J/(kmol K)]

TRPM

mVp *= T

PM

Rvp

*

=

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Termometro

Acqua

Gas Vuoto

Esperienza di Joule

UULQ ∆=⇒∆=− 0

u = u(T,p) u = u(T,v)u = u(T,p) u = u(T,v)

sia p che v sono variati nell’espansione, mentre non è variata

la temperatura, si può concludere che l’energia interna è solo

funzione della temperatura.

RTupvuh +=+=

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Per un gas ideale, si ha pertanto che:

∆U = U2 – U1 = M cv (T2 – T1)

cv = calore specifico a volume costante [J/(kg K)]

∆H = H2 – H1 = M cp (T2 – T1)

cp = calore specifico a pressione costante [J/(kg K)]cp = calore specifico a pressione costante [J/(kg K)]

E’ possibile calcolare i calori specifici del gas ideale con le espressioni seguenti:

k = rapporto tra i calori specifici (cp/cv)

PM

R

k

kc

PM

R

kc

p

v

*

*

1

1

1

−=

−=

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sublimazione

Stato

solido

Stato

liquido

Stato

aeriforme

fusione

solidificazione

vaporizzazione

condensazione

liquefazione

(vapore)

(gas)

Ogni passaggio di fase è caratterizzato da scambio termicoOgni passaggio di fase è caratterizzato da scambio termico

r = calore di vaporizzazione � r H2O =2500 kJ/ kg

Ogni passaggio di fase avviene a pressione p e temperatura θcostante

p = f (θ)

Per vaporizzazione H2O � p = 101325 Pa; θ = 100°C

� p = 2350 Pa; θ = 20°C

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Regola delle fasi di Gibbs

Il numero di grandezze di stato intensive indipendenti che

sono necessarie per definire in maniera univoca lo stato di un sistema termodinamico è determinato dalle caratteristiche del

sistema ovvero dal numero C delle sue componenti chimiche

e dal numero F delle fasi in cui esse sono presenti.

Tale numero viene indicato anche con il termine di varianza, V, e può essere valutato attraverso la regola delle fasi di

Gibbs, espressa dalla relazione:

V = C – F + 2

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Gas

m o

f j

d

P

e

Solido

c

i Liquido -

Vapore

Linea tripla h n

k

Punto

critico

l

b

e

k

i

h

n

Gas

Punto

critico

P

Solido S

oli

do-L

iqu

ido

d

f

j m o

l

Vapore

Liquido -

Vapore c

Linea tripla

g Solido - Vapore

b T

a

V

k

Vapore

k

V

Solido - Vapore T a g

a) diagramma di stato tridimensionale per una sostanza pura;

b) diagramma di stato per una sostanza che aumento il volume

specifico nella solidificazione.

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Pre

ssio

ne

Solido

Liquido

L V

S L

Punto

critico

Pre

ssio

ne

Punto

Punto

critico

Solido

Liquido

S L

L Punto

Temperatura

V S

Vapore

Gas

S

Temperatura

Punto Triplo

Vapore

L

V

V

Punto

Triplo

Diagramma di equilibrio p-T per una sostanza pura (a),

per l’acqua (b)

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Liquido+Vapore

p

Punto

critico

Vapore

Liq

uid

o

So

lid

o+

Liq

uid

o

So

lid

o

G L

Solido+Vapore

Linea del punto triplo

v

Diagrammi p-v per una sostanza pura.

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Punto

critico

infe

rio

re

lim

ite

Cu

rva

T

limite

Curv

a

superio

re

Miscela satura

di liquido e vapore

Liquido

sottoraf-freddato Vapore

surriscaldato

p2 = cost. > p1

p1 = cost.

v

Diagramma T-v per una sostanza pura.

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12

35

0 b

ar

22

1,2

bar

20

bar

1 b

ar

500

750

800

650

700

550

600

Tem

per

atu

ra/

[K]

0,05 m3/kg

Pre

ssio

ne

Entalpia

Linee T costante Linee ν costante

Linee s costante

Lin

ea s

at.

liq

uid

o

Linea sat. vapore

4000

3500 500 °C 2

21

,2 b

ar

35

0 b

ar

Diagrammi di stato

250 273,16

300

350

450

400

Tem

per

atu

ra/

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Entropia specifica/ [kJ/kg K]

X

= 0

,25

X =

0,5

X =

0,7

5

0,5 m3/kg

0,0

06

1

12

bar

h

2700 kJ/kg

x

Linea vapore

saturato

2 4 6 8 10 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Entropia specifica/ [kJ/kg K]

En

talp

ia s

pec

ific

a/ [

kJ/

kg

]

Punto critico

Linea liquido

saturato

200 °C

100 °C

x = 0,9

x = 0,8

x = 0,7

1 bar

20 bar

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sostanza [°C] [kPa]

Idrogeno -259 7,194

Ossigeno -219 0,15

CO2 -56,4 520,8

Mercurio -30 0,00000013Mercurio -30 0,00000013

H2O 0,01 0,6113

Argento 961 0,01

Punto triplo di alcune sostanze

1 bar = 100 kPa; 1 kPa = 0,01 bar

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I freon ovvero i fluidi frigorigeni…

1887… la ghiacciaia è sostituita dai frigoriferi

Utilizzavano SO2 (tossico) e cloruro di metile (infiammabile)

Problemi: la regolazioneil motore elettrico per movimentare il compressorecompressore

Nel 1932 T. Midgeley brevetta i freon…

Nel 1944 in quasi il 75% delle case USA c’era il frigorifero

F

CCl F

Cl

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I FREON

CFC causano la distruzione dello strato di O3� bando dal 2003

La loro produzione sarà completamente eliminata dal 2010

HCFC la loro produzione come refrigeranti sarà bandita dal 2030 (2040 nei paesi in via di sviluppo)(2040 nei paesi in via di sviluppo)

HFC causano effetto serra, ma la loro produzione non è regolata dal protocollo di Montreal (16 Sept. 1987)

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Frigoriferi domestici: flussi termici

Tipiche prestazioni (-18°C ÷ 32°C)termoelettrico 0,09 W /Wassorbimento 0,44 W/Wcompressione 1,3 W/W

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Le indicazioni per un risparmio dei consumi prevedono:

- aumento delle prestazioni del compressore (EER = 5,45)

- ventilatori per aumentare l’efficienza dell’evaporatore;

- aumento dell’efficienza dei motori elettrici del condensatore e dell’evaporatore (assorbimento elettrico 4,4 W circa);

- controllo dello sbrinamento;

- miglioramento delle guarnizioni;

- aumento delle superfici di scambio di condensatore e dell’evaporatore

Inoltre si prevede l’aumento di 2,54 cm (1 in) di spessore per l’isolante o l’uso di pannelli con strato sottovuoto