Dov'è la mia energia? Dubbi Termodinamica
Un piccolo motore stirling, alimentato con etanolo tramite fiamma diretta in testa, è collocato all'interno di una camera di volume $V$ perfettamente isolata.
Il motore viene accoppiato con un generatore per produrre energia elettrica.
L'esperimento consiste nel bruciare un certo quantitativo di etanolo e trarre considerazioni tenendo conto della somma energetica inerente le variazioni di temperatura e la produzione energia elettrica.
Il quantitativo di etanolo stabilito possiede energia $J$, calcolata esattamente per innalzare la temperatura di tutto il contenuto della camera (massa aria interna, massa motore, generatore ecc) di 20 K.
Ipotizzando che all'accensione del combustibile la camera abbia temperatura interna di 273 K e che in tutto l'arco di tempo della combustione viene prodotta ed accumulata energia elettrica, la questione a me poco chiara è:
?La temperatura si innalza di 20 K giungendo a 293 K indipendentemente dalla produzione di elettricità oppure l'elettricità prodotta riduce l'innalzamento della temperatura finale interna alla camera?
Il motore viene accoppiato con un generatore per produrre energia elettrica.
L'esperimento consiste nel bruciare un certo quantitativo di etanolo e trarre considerazioni tenendo conto della somma energetica inerente le variazioni di temperatura e la produzione energia elettrica.
Il quantitativo di etanolo stabilito possiede energia $J$, calcolata esattamente per innalzare la temperatura di tutto il contenuto della camera (massa aria interna, massa motore, generatore ecc) di 20 K.
Ipotizzando che all'accensione del combustibile la camera abbia temperatura interna di 273 K e che in tutto l'arco di tempo della combustione viene prodotta ed accumulata energia elettrica, la questione a me poco chiara è:
?La temperatura si innalza di 20 K giungendo a 293 K indipendentemente dalla produzione di elettricità oppure l'elettricità prodotta riduce l'innalzamento della temperatura finale interna alla camera?
Risposte
Non ho capito bene. Questo è un testo di problema? Forse è un testo che hai interrotto per porre la tua domanda, ma in questo modo non è chiaro.
In generale ricorda che il ciclo di un motore Strirling, assorbe comunque calore ad una sorgente, ne traforma parte in lavoro e ne cede parte ad una sorgente a temperatura inferiore .
Se chiarisci meglio posso provare a rispondere al dubbio specifico comunque.
In generale ricorda che il ciclo di un motore Strirling, assorbe comunque calore ad una sorgente, ne traforma parte in lavoro e ne cede parte ad una sorgente a temperatura inferiore .
Se chiarisci meglio posso provare a rispondere al dubbio specifico comunque.
Non è un esercizio. E' una questione a cui non ho mai saputo trovare risposta certa.
Durante il funzionamento, il motore stirling assorbe calore da una parte e lo dissipa dall'altra (ho menzionato lo stirling per semplicità ma il discorso vale per tutte le conversioni termodinamiche).
L'energia termica dissipata dal motore è al netto dell'energia meccanica prodotta?
Durante il funzionamento, il motore stirling assorbe calore da una parte e lo dissipa dall'altra (ho menzionato lo stirling per semplicità ma il discorso vale per tutte le conversioni termodinamiche).
L'energia termica dissipata dal motore è al netto dell'energia meccanica prodotta?
"mainlinexile":
L'energia termica dissipata dal motore è al netto dell'energia meccanica prodotta?
Un motore termico assorbe calore e lo converte parte in lavoro, un'altra parte invece lo cede ad una sorgente a temperatura inferiore rispetto alla sorgente da cui aveva assorbito il calore.
Il rapporto tra lavoro prodotto e calore assorbito è il rendimento del ciclo.
Spero questo risponda al tuo dubbio che non riesco ancora pienamente a comprendere.
Dalla tua risposta deduco ritieni che il calore ceduto dal motore sia al netto dell'energia meccanica prodotta, quindi nulla di strano nel bilancio finale energia termica + meccanica.
Però se è così, la domanda mi sorge spontanea: Perchè non esiste ancora una macchina capace di abbattere la temperatura semplicemente "trasformando" il calore in elettricità, al posto di limitarsi a trasferirlo in un ambiente esterno?
Però se è così, la domanda mi sorge spontanea: Perchè non esiste ancora una macchina capace di abbattere la temperatura semplicemente "trasformando" il calore in elettricità, al posto di limitarsi a trasferirlo in un ambiente esterno?
"mainlinexile":
Però se è così, la domanda mi sorge spontanea: Perchè non esiste ancora una macchina capace di abbattere la temperatura semplicemente "trasformando" il calore in elettricità, al posto di limitarsi a trasferirlo in un ambiente esterno?
Per una bazzecola chiamata secondo principio della termodinamica. Vedi qui per esempio, nel forum ci sono molti messaggi di questo genere.
In altre parole è inevitabile cedere calore a una sorgente a temperatura inferiore, non c'è scampo.
Provo a riformulare con un esempio forse più idoneo:
Ipotizzando un ciclo rankine, in cui il gas viene compresso per innalzare la temperatura allo scambiatore. Un delta di 50° è sicuramente ottenibile ed è più che sufficiente per far funzionare uno stirling LTD.
La camera è perfettamente isolata, all'interno il motore preleva calore cumulato nell'aria trasformandolo in energia meccanica o elettrica, ed infine questa energia ottenuta deve ridurre la temperatura della camera.
E' corretto?
Ipotizzando un ciclo rankine, in cui il gas viene compresso per innalzare la temperatura allo scambiatore. Un delta di 50° è sicuramente ottenibile ed è più che sufficiente per far funzionare uno stirling LTD.
La camera è perfettamente isolata, all'interno il motore preleva calore cumulato nell'aria trasformandolo in energia meccanica o elettrica, ed infine questa energia ottenuta deve ridurre la temperatura della camera.
E' corretto?
"mainlinexile":
Provo a riformulare con un esempio forse più idoneo:
Ipotizzando un ciclo rankine, in cui il gas viene compresso per innalzare la temperatura allo scambiatore. Un delta di 50° è sicuramente ottenibile ed è più che sufficiente per far funzionare uno stirling LTD.
La camera è perfettamente isolata, all'interno il motore preleva calore cumulato nell'aria trasformandolo in energia meccanica o elettrica, ed infine questa energia ottenuta deve ridurre la temperatura della camera.
E' corretto?
Recuperi il calore ancora ad alta temperatura disponibile, ma comunque poi ne devi sempre cedere parte ad una temperatura più bassa. In questo modo si alza un po' il rendimento totale, ma non sempre il recupero di quel calore è conveniente, spesso si preferisce utilizzarlo così come è come calore, nei cosiddetti cicli a cogenerazione.
Chiedo un chiarimento. Da quanto ho capito, mainlinexile suppone di mettere una macchina termica in una camera perfettamente isolata, e facendola funzionare vuole che la temperatura nella camera diminuisca, perché la macchina produce energia.
A me sembra che questo vada completamente contro il secondo principio della termodinamica. Abbiamo un' unica sorgente , l'ambiente della camera. Dov'è la sorgente a temperatura inferiore, che il secondo principio richiede, a cui cedere parte del calore ?
A me sembra che questo vada completamente contro il secondo principio della termodinamica. Abbiamo un' unica sorgente , l'ambiente della camera. Dov'è la sorgente a temperatura inferiore, che il secondo principio richiede, a cui cedere parte del calore ?
Lo stirling utilizza una sorgente calda che è lo scambiatore del circuito rankine in cui avviene la compressione, e una fredda che è direttamente l'ambiente della camera.
Mi accorgo ora che ho menzionato erroneamente il ciclo rankine, ma riguardo al collettore termico dello stirling intendevo dire a contatto (con uno scambiatore) con il condensatore di un ciclo frigorifero.
Non riesco ancora a veder chiara la meccanica del fenomeno.
Il calore viene assorbito dal collettore del motore stirling e ceduto al dissipatore. Tramite le fasi del ciclo viene generato movimento e convertito in elettricità.
Il calore assorbito è pari a quello ceduto?
Se quello ceduto non è pari ma inferiore, in che modo l'effetto meccanico dello stirling abbatte la temperatura? (ovvero in che modo riduce la cinetica delle particelle)
Il calore viene assorbito dal collettore del motore stirling e ceduto al dissipatore. Tramite le fasi del ciclo viene generato movimento e convertito in elettricità.
Il calore assorbito è pari a quello ceduto?
Se quello ceduto non è pari ma inferiore, in che modo l'effetto meccanico dello stirling abbatte la temperatura? (ovvero in che modo riduce la cinetica delle particelle)
Mah non e' molto chiaro il tuo dubbio, ma il funzionamento in teoria e' molto semplice.
Durante l'espansione isoterma a temperatura $T_1$, devi fornire calore dall'esterno $Q_1$.
Per via del bilancio energetico ($DeltaU=0$ lungo un'isoterma), il lavoro che riesci ad estrarre sara' pari a $Q_1$ (per il calcolo $Q_1=L_1=RT_1ln(v_2/v_1)$
Nell'isovolumica di raffreddamento, viene sottratto calore $Q_2=c_v(T_2-T_1)$
Nella compressione isoterma, il lavoro da immettere nel sistema e' $RT_2ln(v_2/v_1)$, e analogamente alla isoterma di espansione devi estrarre calore $Q_3$ di pari importo. Questo calore e' "sprecato" e non riutilazzibile, almeno in questo ciclo. Puo' essere usato da qualche altra parte (per esempio per scaldare dell'acqua e mandarla in rete, consentendo un risparmio di gas a chi si fa un piatto di pasta), ma non puo' essere rigenerato nel ciclo Stirling, per via di quella bazzecola di principio che ti ricordava Faussone all'inizio del thread.
Nell' ultima fase, isovolumica, immetti il calore $Q_4=c_v(T_1-T_2)$, recuperandolo interamente da $Q_2$ (ti accorgi subito che $Q_4=-Q_2$).
Il lavoro utile netto, quello che si puo' trasformare in energia elettrica, e' chiaramente $Q_1-Q_2$: .
L'unico calore immesso esternamente e' $Q_1$, perche il calore nell'ultima isovolumica non viene dall'esterno, ma e' un trasferimento interno al fluido, e quindi il rendimento del ciclo e' $eta=L/Q=(Q_1-Q_3)/Q_1=1-Q_3/Q_1=1-(RT_2ln(v_2/v_1))/(RT_1ln(v_2/v_1))=1-T_2/T_1$
E' evidente che se non rigenerassi il calore dell'isovolumica, il rendimento sarebbe $eta=L/Q=(Q_1-Q_2-Q_3)/Q_1$ (svolgi i calcli, se ti va) perche' ora $Q_4$ e' un apporto esterno di calore. Il rendimento viene ovviamente piu' basso rispetto al ciclo con recupero descritto sopra.
Durante l'espansione isoterma a temperatura $T_1$, devi fornire calore dall'esterno $Q_1$.
Per via del bilancio energetico ($DeltaU=0$ lungo un'isoterma), il lavoro che riesci ad estrarre sara' pari a $Q_1$ (per il calcolo $Q_1=L_1=RT_1ln(v_2/v_1)$
Nell'isovolumica di raffreddamento, viene sottratto calore $Q_2=c_v(T_2-T_1)$
Nella compressione isoterma, il lavoro da immettere nel sistema e' $RT_2ln(v_2/v_1)$, e analogamente alla isoterma di espansione devi estrarre calore $Q_3$ di pari importo. Questo calore e' "sprecato" e non riutilazzibile, almeno in questo ciclo. Puo' essere usato da qualche altra parte (per esempio per scaldare dell'acqua e mandarla in rete, consentendo un risparmio di gas a chi si fa un piatto di pasta), ma non puo' essere rigenerato nel ciclo Stirling, per via di quella bazzecola di principio che ti ricordava Faussone all'inizio del thread.
Nell' ultima fase, isovolumica, immetti il calore $Q_4=c_v(T_1-T_2)$, recuperandolo interamente da $Q_2$ (ti accorgi subito che $Q_4=-Q_2$).
Il lavoro utile netto, quello che si puo' trasformare in energia elettrica, e' chiaramente $Q_1-Q_2$: .
L'unico calore immesso esternamente e' $Q_1$, perche il calore nell'ultima isovolumica non viene dall'esterno, ma e' un trasferimento interno al fluido, e quindi il rendimento del ciclo e' $eta=L/Q=(Q_1-Q_3)/Q_1=1-Q_3/Q_1=1-(RT_2ln(v_2/v_1))/(RT_1ln(v_2/v_1))=1-T_2/T_1$
E' evidente che se non rigenerassi il calore dell'isovolumica, il rendimento sarebbe $eta=L/Q=(Q_1-Q_2-Q_3)/Q_1$ (svolgi i calcli, se ti va) perche' ora $Q_4$ e' un apporto esterno di calore. Il rendimento viene ovviamente piu' basso rispetto al ciclo con recupero descritto sopra.
ciao profk, grazie per la risposta, si il ciclo stirling mi è abbastanza chiaro (in passato ne ho progettati diversi modelli e qualcuno l'ho anche realizzato). Anche il calcolo su efficienza, dal quale però non vedo come ricavare il bilancio $Q_1$ e $Q_2$.
Caso 1: $Q_2$ è pari a $Q_1$ (conservazione non rispettata se il motore gira, quindi ipotesi improbabile)
Caso 2: $Q_2$ è inferiore a $Q_1$ (parte di $Q_1$ è letteralmente trasformata in lavoro meccanico durante il processo di fasi, per cui $Q_2$ sarà necessariamente inferiore)
Nell'ipotesi più probabile del secondo caso, mi chiedevo come avverrebbe fisicamente la trasformazione da calore (quindi riduzione della cinetica delle subparticelle) a movimento delle parti motore (?).
Perchè è molto semplice trasformare l'energia cinetica da scala macroscopica verso la microscopica. Meno facile è fare il contrario.
Caso 1: $Q_2$ è pari a $Q_1$ (conservazione non rispettata se il motore gira, quindi ipotesi improbabile)
Caso 2: $Q_2$ è inferiore a $Q_1$ (parte di $Q_1$ è letteralmente trasformata in lavoro meccanico durante il processo di fasi, per cui $Q_2$ sarà necessariamente inferiore)
Nell'ipotesi più probabile del secondo caso, mi chiedevo come avverrebbe fisicamente la trasformazione da calore (quindi riduzione della cinetica delle subparticelle) a movimento delle parti motore (?).
Perchè è molto semplice trasformare l'energia cinetica da scala macroscopica verso la microscopica. Meno facile è fare il contrario.
Perchè l'ipotesi più probabile è la seconda. ?Corretto?
Ma se effettivamente la cinetica delle subparticelle viene modulata per effetto di conversione da micro a macro, mi chiedo perchè attualmente non esiste ancora una tecnologia che abbatte la temperatura senza necessità di espellere il calore all'esterno. Ossia perchè non esiste un dispositivo che abbatte per effetto elettromeccanico, dato che il fenomeno fisico è noto?
Ma se effettivamente la cinetica delle subparticelle viene modulata per effetto di conversione da micro a macro, mi chiedo perchè attualmente non esiste ancora una tecnologia che abbatte la temperatura senza necessità di espellere il calore all'esterno. Ossia perchè non esiste un dispositivo che abbatte per effetto elettromeccanico, dato che il fenomeno fisico è noto?
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