l’unità didattica in breve c1 la natura del calore

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calore, temperatura e combustibili c1 1

l’unità didattica in breve c1

la natura del calore

Il calore si propaga in modo spontaneo da un corpo caldo a uno più fred- do, se posti a contatto. Se i due corpi sono alla medesima temperatura, non si ha il flusso termico. Il calore è una forma di energia che può essere trasformata in altre forme: le macchine termiche trasformano l’energia termica in energia meccanica e viceversa. Il funzionamento delle macchine termiche si basa sulla differenza di temperatura fra il fluido interno alla macchina e il fluido esterno. La differenza di temperatura è otteni- bile mediante reazioni chimiche o azioni meccaniche.

la temperatura e il calore

La scala Celsius assume, a pressione atmosferica, valore 0 in corrispon- denza del punto di congelamento dell’acqua e assume valore 100 in corri- spondenza del punto di evaporazione dell’acqua. La scala Kelvin assume valore 0 in corrispondenza dello zero assoluto: l’unità di misura è il kelvin [K]. La scala Fahrenheit ha come unità di misura il grado Fahrenheit [°F] e assume valore 32 °F al punto di congelamento dell’acqua, a pressione atmosferica, e valore 212 °F al punto di ebollizione dell’acqua, a pressione atmosferica; il grado Fahrenheit risulta più piccolo del grado Celsius [°C].

Per valutare la tendenza dei materiali a scaldarsi quando viene som- ministrato del calore si ricorre al concetto di capacità termica massica c, definita come rapporto fra il calore fornito all’unità di massa della sostanza in esame e la variazione di temperatura avvenuta per riscal- damento. La capacità termica massica indica quanta energia termica, espressa in joule, dev’essere trasmessa a 1 kg di materiale per ottenere l’innalzamento di 1 °C di temperatura. Per l’acqua, il valore di c oscilla con lieve differenza intorno al valore medio di 4,186 kJ/(kg K).

Riscaldando un corpo, oltre all’aumento di temperatura si nota una dilatazione ∆l per ogni lato di lunghezza l; la dilatazione è direttamen- te proporzionale all’incremento di temperatura ∆t subito dal corpo; λ è il coefficiente di dilatazione termica lineare, una costante del materiale.

la combustione

La combustione è un insieme di reazioni chimiche di ossidazione fra un combustibile, formato da carbonio e idrogeno, e l’ossigeno comburente. Le miscele reagenti sono miscugli di combustibile e comburente capaci di rea- gire con elevata velocità di reazione e sviluppando una fiamma. La velocità delle reazioni chimiche è influenzata dalle concentrazioni dei componenti, dalla temperatura e dalla forma della camera di combustione; una miscela di combustibile e comburente è detta stechiometrica se la composizione dà luogo alla combustione completa. Il carbonio e l’idrogeno reagiscono con l’ossigeno dell’aria, producendo fumi composti da bios sido di carbonio e vapore acqueo. La dissociazione del biossido di car bonio è una reazione endotermica con sviluppo di monossido di carbonio. Una combustione è

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detta teoricamente perfetta se non si ha la presenza di incombusti nei fumi; è detta completa se non vi sono residui combustibili nelle ceneri e se l’azoto si comporta da inerte e non prende parte alle reazioni di ossidazione.

In realtà l’azoto dà vita a tutta una fa miglia di composti ossidati denomi- nati NO_x. Su tutti gli impianti termici è reso obbligatorio il controllo della combustione e dei fumi. I controlli sono regolamentati dal DPR 551/1999.

il potere calorifico dei combustibili

Il potere calorifico inferiore P_CI è la quantità di calore prodotta dall’uni- tà di massa di un combustibile, o di volume se gassoso, in seguito alla sua combustione completa; il P_CI non comprende il calore di evaporazione con- tenuto dal vapore acqueo presente fra i prodotti della combustione. Il pote- re calorifico superiore P_CS differisce dal precedente perché comprende anche il calore di evaporazione del vapore acqueo. Per entrambi l’unità di misura è il kJ/kg. La determinazione sperimentale del P_CS è ottenuta facendo avvenire la combustione in un contenitore, detto bomba calori- metrica. Esistono metodi teorici per il calcolo dei po teri calorifici e della massa d’aria stechiometrica A_tm. L’unità di mi sura di A_tm è il kg/kg.

Si de finisce eccesso d’aria e il rapporto fra la quan tità in massa d’aria in trodotta in più rispetto all’aria teorica e la quantità d’aria teorica.

tipi di combustibile

I principali combustibili solidi sono i carboni fossili, fra i quali l’antracite e il litantrace, aventi un P_CI di circa 32 MJ/kg. Il coke è un carbone artifi- ciale derivato dal carbone naturale o dal petrolio. Nei grandi impianti il carbone viene macinato in forma di polverino per velocizzare la combustione. I combustibili liquidi, derivanti dalla raffinazione del petrolio, si presentano sotto forma di miscela di idrocarburi liquidi, aventi formula chimica C_n H_m; dalla distillazione frazionata del greggio e in seguito a ulteriori lavorazioni chimiche si ottengono benzine, ke ro se ne, gasoli e nafte, oli lubrifi- canti, paraffine e vaseline; il re si duo fisso costituisce coke di petrolio, catrame, asfalti e pece. Il combustibile gassoso più importante è il gas naturale a base di metano, di stribuito e convogliato attraverso una fitta rete di metanodotti. Im por tan za crescente è rivestita dai biogas emessi dalle discariche ur ba ne e dall’idrogeno. I gas di petrolio liquefatti GPL sono miscele costituite da bu tilene, propilene, propano, butano, etilene.

altre proprietà dei combustibili

Le temperature caratteristiche di un combustibile sono: la temperatura di ignizione, di infiammabilità, di autoaccensione e di flash point. Esse permettono di definire i rischi di infiammabilità e di esplosione e per la sicurezza nel trasporto e nell’immagazzinamento. La vo latilità e il calore latente sono indici della tendenza a emettere vapori, mentre le proprietà anticongelanti e il punto di scorrimento indicano la tendenza a solidi- ficare. Per ogni combustibile, sono fis sati per legge i contenuti di zolfo e la coloritura che dev’essere ap portata per la commercializzazione.

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problemi di riepiloGo c1

1. Esprimere in gradi centigradi la temperatura t = 120 °F.

2. Calcolare la quantità di calore Q che dev’essere sottratta a una massa di 850 kg di calcestruzzo per raffreddarlo di 20 °C.

3. Calcolare e confrontare fra di loro le quantità di calore Q che devono essere fornite a un volume di acqua di 20 m³ per innalzarlo di 1 °C di temperatura, rispettivamente da 34 a 35 °C e da 84 a 85 °C.

4. Esprimere in Btu la quantità di energia termica di 15 kJ.

5. Calcolare l’allungamento di un mattone lungo 25 cm, qualora subisca un aumento di temperatura di 70 °C.

6. In un recipiente con le pareti termicamente isolate vengono mescolate due masse della medesima sostanza liquida: la massa m₁ = 500 g, a tempera- tura t₁ = 18 °C, e la massa d’acqua m₂ = 800 g, a temperatura t₂ = 90 °C.

Calcolare la temperatura finale t₃ di tutto il miscuglio.

7. Calcolare il calore che si ottiene bruciando, con il rendimento di combu- stione η = 75%, la massa m = 15 kg di GPL, contenuta in una comune bombola per uso domestico.

8. Calcolare la massa m di antracite, avente potere calorifico P_CI=33500kJ/kg, necessaria per portare 18 200 kg d’acqua da 15 °C a 45 °C, sapendo che il rendimento η del processo termico è del 60%.

9. Calcolare i poteri calorifici, inferiore e superiore, per un carbone i cui componenti hanno le seguenti percentuali in massa: C = 85%; H = 4%;

O = 8%; S = 1,2%; U = 1,8%.

10. Calcolare il potere calorifico inferiore per un kerosene, i cui componenti hanno le seguenti percentuali in massa: C = 84%; H = 14,4%; O = 0,6%;

S = 1%.

11. Calcolare la quantità d’aria stechiometrica, in grado di produrre la com- bustione teoricamente completa di un 1 m³ del combustibile gassoso, così composto: CO = 10%; H₂ = 14%; O = 7%; CH₄ = 61%; C₃H₈ = 8%.

12. La puleggia su cui si avvolge la fune di una teleferica può essere conside- rata come un anello di acciaio avente diametro medio di 2 m. Calcolare di quanto bisogna innalzare la temperatura per ottenere un allungamento di un centimetro sulla circonferenza media.

13. Calcolare l’energia liberata dalla combustione completa di 10 l di benzi- na, con rendimento unitario.