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