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CORSO DI FISICA TECNICA
Richiami di Calorimetria – Introduzione al Corso
Prof. Ing. Giulio Vannucci
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Calore
Il calore è una forma di energia che si trasferisce tra
due corpi, o tra due parti di uno stesso corpo, che si
trovano in condizioni termiche diverse.
Il livello di questa energia si chiama temperatura.
Il calore è energia in transito:
fluisce sempre dai punti a temperatura maggiore a
quelli a temperatura minore, finché non si
raggiunge l'equilibrio termico.
Calorimetria
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Passaggi di stato
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SCALA CELSIUS DELLA TEMPERATURA
Per definire 0°C e 100°C si sfrutta la proprietà
dell’invarianza della temperatura nei passaggi di
stato
Unità di misura della temperatura
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Scala Fahrenheit
Conversione °C/°F t=5/9 x ( f - 32)
Unità di misura della temperatura
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La quantità di calore assorbita è utilizzata per rompere
i legami che tengono uniti le molecole nello stato solido
o liquido.
Calore latente
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Vaporizzazione
Se abbiamo un recipiente aperto contenente acqua, alcune
particelle sulla superficie del liquido hanno energia cinetica
sufficiente per lasciare il liquido e fuoriuscire dal recipiente.
Le molecole che rimangono hanno energia media minore, e
quindi il liquido si raffredda.
Del calore viene assorbito dall’ambiente, e altre molecole
lasciano il liquido.
Con il tempo e, più rapidamente se aumenta la temperatura
ambiente, il recipiente si asciuga.
Vaporizzazione
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Tensione di vapore
Tensione di vapore
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Se si riscalda acqua in un recipiente chiuso
alcune particelle sulla superficie del liquido hanno
energia cinetica sufficiente per lasciare il liquido e
diventare gas
Esse non possono però lasciare il recipiente chiuso
Alcune delle molecole del gas colpiscono la superficie
e ritornano nel liquido.
Dopo un certo tempo, il numero di molecole che
lasciano il liquido nell’unità di tempo è uguale al
numero di molecole che ritornano al liquido Si è
instaurato un EQUILIBRIO DINAMICO
Si osserva che ad ogni valore di
Temperatura si ha una certa pressione
del vapore. Questa pressione si chiama
tensione di vapore.
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Se si aumenta la temperatura da T1 a T2 la tensione di
vapore aumenta per stabilizzarsi ad un nuovo valore p2
maggiore di p1.
Maggiore è la temperatura T2 maggiore sarà la pressione p2
in quanto maggiore sarà il numero di particelle che
passeranno in fase gas e premeranno sulle pareti per uscire.
Tensione di vapore
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Pressione di Vapore
La pressione del gas in equilibrio con il liquido viene
chiamata Pressione di Vapore o Tensione di vapore
(specie se ci sono altri aeriformi presenti)
Pressione di vapore
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Pressione di Vapore
Se il recipiente è aperto, l’equilibrio non viene mai raggiunto,
e il liquido evapora
Se il recipiente è chiuso, la pressione del gas aumenta sino
ad arrivare al valore di equilibrio
Pressione di vapore
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Evaporazione:
le molecole sfuggono dalla superficie
Ebollizione:
il gas si forma anche all’interno del liquidoPur essendo molti i vapori
possibili (vapori di mercurio, di alcool, di olio, di benzina ecc), quando si
parla di vapore si intende vapore d’acqua
Pressione di vapore
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Ebollizione.
Solo quando la pressione di vapore
raggiunge la pressione esterna, le
bolle di vapore riescono a vincere la
pressione e formarsi all’interno del
liquido. E’ possibile far bollire un
liquido aumentando la temperatura o
diminuendo la pressione
Ebollizione
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Pentola a Pressione
Denis Papin nel 1882 inventa la Pentola a
Pressione, completa di valvola di sfogo.
In una normale pentola, la temperatura dell’acqua
non supera mai i 100 °C.
Nella pentola chiusa
ermeticamente, l’acqua evapora
aumentando la pressione di
vapore.
La temperatura dell’acqua
raggiunge i 120 °C e 1 bar (2
ata).
Ebollizione
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Caloria (cal):
La caloria o piccola caloria o grammocaloria è l’unità di
misura della quantità di calore .
La caloria è la quantità di calore che si deve fornire alla
massa di un grammo di acqua distillata, alla pressione
atmosferica, per innalzare la sua temperatura di 1°C.
-chilocaloria o grande caloria :
è la quantità di calore che si deve fornire alla massa di un
chilogrammo di acqua distillata, alla pressione atmosferica,
per innalzare la sua temperatura di 1°C (precisamente da
14,5 a 15,5°C);
1 kcal = 4,186 kJ
Caloria
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L'uso dell'unità di misura caloria è vietato da una Direttiva
CEE, ma l'uso dei suoi multipli è tuttora diffuso a livello
internazionale.
La caloria è detta anche grammo-caloria (gramcalorie) e
piccola caloria (smallcalorie).
Il suo multiplo kilocaloria (kilocalorie), con simbolo kcal (e
non Cal), equivale a 1.000 calorie ed è detta anche
"grande caloria" (greatcalorie).
Il nome caloria deriva dal passato, quando si credeva che
il calore fosse un fluido invisibile chiamato "calorico".
Caloria
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Potenza termica:
conversione
1 kW =1000 W = 860 Kcal/h
1W = 1 J/sec = 0,86 kcal/h = 0,86 frig/h = 3,4 BTU/h
1 kcal/h = 1 frig/h = 1,163 W = 3,95 BTU
1 BTU/h=0,25 kcal/h=0,25 frig/h=0,293 W
Potenza termica
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CALORE SPECIFICO
Il CALORE SPECIFICO è la quantità di calore necessario
per alzare di un grado la temperatura di un kg di
sostanza.
il calore specifico dipende dalla pressione, dal volume ,
dalla temperatura.
per l’acqua liquida si assume il valore costante di
1 kcal / kg °C = 4,186 kJ/kg°C
Calore specifico
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I CALORI SPECIFICI SONO DUE PER I GAS
Mentre per la materia in fase condensata Cp e Cv sono
praticamente coincidenti, per un aeriforme, invece, il calore
specifico a pressione costante differisce da quello a volume
costante per il lavoro di espansione. Il calore specifico
dipende dalla natura chimica della sostanza considerata e
dalla temperatura. Si può ritenere costante solo per piccole
variazioni di temperatura e lontano dalle temperature di
transizione di fase. Mentre per la materia in fase condensata
Cp e Cv sono praticamente coincidenti, per un aeriforme,
invece, il calore specifico a pressione costante differisce da
quello a volumecostante per il lavoro di espansioneIl calore
specifico del vapore può essere cp ( a pressione costante) o
cv (a volume costante)
Calore specifico
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CALORE SPECIFICO ACCIAO
il calore specifico dipende dalla pressione, dal volume ,
dalla temperatura.per l’acciaio si assume il valore costante
di
0,1 kcal/kg°C = 0,419 kJ/kg°C
PERICOLO PER LE CALDAIE SENZA ACQUA.
A PARITÀ DISCAMBIO TERMICO LA TEMPERATURA
DELL’ACCIAIO NON BAGNATO DALL’ACQUA CRESCERÀ
DIDIECI VOLTE
SE LA TEMPERATURA DELL’ACQUA È 200°C L’ACCIAIO
ARRIVA A 2000°C
Calore specifico
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CONTENUTO TERMICO o energia interna
10 kg di acqua a 80°C contengono una quantità di
calore (rispetto alla temperatura di 0°C) data da:
Q = cs x m x T ≈ 1 x 10 x 80 = 800 kcal/h
T = Q / (m x cs)
Calore specifico
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Una miscela di 30 kg di acqua a 90°C e 40 kg di acqua a
50°C contengono una quantità di calore (rispetto alla
temperatura di 0°C) data da:
Q = cs x m ΔT1 + cs x m ΔT2 ≈
1x30x(90-0) + 1x40x (50-0) = 2700 + 2000 kcal
4700 kcal
Calore specifico
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Calore specifico
Q = cs x m x T = 4700 kcal = 1 x ( 30+40) x ( t-0)
Da cui si ricava
4700 = 70 t
T = 4700 / 70 = 67,14 °C
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Una miscela di 30 kg di acqua a 90°C e 40 kg di acqua a
50°C contengono una quantità di calore (rispetto alla
temperatura di 0°C) data da:
Q= cs x m x Δ T1 + cs x m x Δ T2
≈ 4,19 x 30 x (90-0) + 4,19 x 40 x (50-0) ≈
≈ 11313 + 8380 ≈ 19693 J
E la temperatura vale
19893 = 4,19 x (30+40)x(t-0)
t = 19863 / ( 4,19 x 70) = 67,14 °C
Calore specifico
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CALORE ASSORBITO DAI FUMI
100 kg fumo a 219°C
Calore specifico assunto cf = 0,254 kcal/kgx°C
Q40°C = 0,254 x 100 x(219-40) = 4546,6 kcal
Calore assorbito
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CONTENUTO TERMICO VAPORE
Nel calcolo del contenuto termico del vapor d’acqua occorre
tenere conto che il calore latente di vaporizzazione è 530
kcal/kg
Per convenzione tecnica si assume che per vaporizzare un kg
di acqua occorrano 600 kcal/kg (si suppone di vaporizzare
Contenuto termico vapore
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GRAZIE PER L’ATTENZIONE