La termodinamica è una branca della fisica che si occupa dell’energia e del lavoro di un sistema.La termodinamica si occupa della risposta su larga scala di un sistema che possiamo osservare e misurare negli esperimenti.Come aerodinamici, siamo più interessati alla termodinamica dei sistemi di propulsione e dei flussi ad alta velocità.Per capire come funziona un sistema di propulsione, dobbiamo studiare la termodinamica di base dei gas.
I gas hanno varie proprietà che possiamo osservare con i nostri sensi, tra cui la pressione del gas p, la temperatura T, la massa e il volume V che contiene il gas.Un’attenta osservazione scientifica ha determinato che queste variabili sono correlate tra loro, e i valori di queste proprietà determinano lo stato del gas.Un processo termodinamico, come riscaldare o comprimere il gas, cambia i valori delle variabili di stato in un modo che è descritto dalle leggi della termodinamica. Il lavoro fatto da un gas e il calore trasferito a un gas dipendono dagli stati iniziale e finale del gas e dal processo usato per cambiare lo stato.
È possibile eseguire una serie di processi, in cui lo stato viene cambiato durante ogni processo, ma il gas alla fine ritorna al suo stato originale. Una tale serie di processi è chiamata ciclo e costituisce la base per la comprensione dei motori. Il ciclo di Carnot è uno dei cicli termodinamici fondamentali ed è descritto in questa pagina web. Useremo un diagramma a V per tracciare i vari processi nel ciclo di Carnot. Il ciclo inizia con un gas, colorato in giallo sulla figura, che è confinato in un cilindro, colorato in blu. Il volume del cilindro viene cambiato da un pistone rosso in movimento, e la pressione viene cambiata mettendo dei pesi sul pistone. Abbiamo due fonti di calore; quella rossa è a 300 gradi nominali, e quella viola è a 200 gradi. Inizialmente, il gas è nello stato 1 ad alta temperatura, alta pressione e basso volume.
- Il primo processo eseguito sul gas è un’espansione isoterma. La fonte di calore a 300 gradi viene messa in contatto con la bombola, e il peso viene rimosso, il che abbassa la pressione nel gas. La temperatura rimane costante, ma il volume aumenta. Durante il processo dallo stato 1 allo stato 2 il calore viene trasferito dalla fonte al gas per mantenere la temperatura. Noteremo il trasferimento di calore dal Q1 al gas.
- Il secondo processo eseguito sul gas è un’espansione adiabatica. Durante un processo adiabatico non viene trasferito calore al gas. Il peso viene rimosso, il che abbassa la pressione nel gas. La temperatura diminuisce e il volume aumenta quando il gas si espande per riempire il volume. Durante il processo dallo stato 2 allo stato 3 non viene trasferito calore.
- Il terzo processo eseguito sul gas è una compressione isotermica. La fonte di calore a 200 gradi viene portata a contatto con il cilindro, e viene aggiunto del peso, che fa aumentare la pressione nel gas. La temperatura rimane costante, ma il volume diminuisce. Durante il processo dallo stato 3 allo stato 4 il calore viene trasferito dal gas alla fonte di calore per mantenere la temperatura. Noteremo il trasferimento di calore da Q2 lontano dal gas.
- Il quarto processo eseguito sul gas è una compressione adiabatica. Si aggiunge del peso, il che aumenta la pressione nel gas. La temperatura aumenta e il volume diminuisce quando il gas viene compresso. Durante il processo dallo stato 4 allo stato 1 non viene trasferito calore.
Al termine del quarto processo, lo stato del gas è tornato allo stato originale e il ciclo può essere ripetuto tutte le volte che si vuole. Durante il ciclo, il lavoro W è stato prodotto dal gas, e la quantità di lavoro è uguale all’area racchiusa dalle curve del processo.Dalla prima legge della termodinamica, la quantità di lavoro prodotto è uguale al calore netto trasferito durante il processo:
W = Q1 – Q2
Il ciclo di Carnot ha funzionato come un motore, convertendo il calore trasferito al gas durante i processi in lavoro utile. Un simile Ciclo di Brayton spiega come funziona un motore a turbina, e un Ciclo di Otto spiega come funziona un motore a combustione interna.
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