CORSO DI FISICA TECNICA
Richiami di Calorimetria – Introduzione al Corso
Prof. Ing. Giulio Vannucci
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.
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