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mercoledì 21 dicembre 2011

Il trasferimento del calore

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Fino a questo punto i motori esotermici sono stati presentati e valutati dal punto di vista termodinamico trascurando completamente l'aspetto cinetico relativo al processo di trasferimento del calore.
Il calore si trasferisce spontaneamente da una zona a temperatura più elevata a una zona a temperatura più bassa.
Il gradiente termico, cioè la presenza di una differenza di temperatura, è la condizione necessaria affinchè avvenga un trasferimento spontaneo di calore e il calore si sposta sempre dalla zona a temperatura più alta alla zona a temperatura più bassa.
In assenza di gradiente termico non può avvenire alcun trasferimento spontaneo di calore.

Dal punto di vista del trasferimento di calore i liquidi e i gas hanno un comportamento analogo mentre i solidi sono un caso a parte.
Nei solidi il trasferimento di calore avviene per conduzione e per irraggiamento, nei liquidi e nei gas è possibile anche la convezione.
Esistono due tipologie di convezione: quella naturale e quella forzata.
La convezione naturale è un fenomeno che si manifesta per effetto della forza di gravità: il gas (o il liquido) caldo, più rarefatto quindi più leggero, tende a salire, il gas (o il liquido) freddo, più denso e quindi più pesante, tende a portarsi in basso.
Si parla invece di convezione forzata quando facendo lavoro meccanico dall'esterno si provoca un flusso di materiale (per esempio con una pompa o una ventola).

La convezione è una modalità opzionale per il trasferimento di calore, nel senso che essa può essere o non essere presente.
Mentre è scontato il motivo della presenza o assenza della convezione forzata, potrebbe non esserlo per quella naturale.
La convenzione naturale è assente quando la temperatura aumenta spostandosi dal basso verso l'alto perchè in questa situazione la forza di gravità non ha effetti sulla posizione del fluido.
In assenza di convezione, i liquidi e i gas trasferiscono calore solo per conduzione e irraggiamento e pertanto assumono un comportamento analogo a quello dei solidi.
La possibilità di impedire la convezione rende significativo il confronto della conducibilità termica fra sostanze in qualunque stato fisico.

La potenza termica trasmessa per conduzione è calcolabile con la seguente relazione

Pt = Ct * S * (Tcalda - Tfredda) / L

dove

Pt è la potenza termica espressa in [W]
Ct è la conducibilità termica espressa in [W K-1 m-1]
S è la sezione o superficie di conduzione espressa in [m2]
Tcalda è la temperatura più calda espressa in [K]
Tfredda è la temperatura più fredda espressa in [K]
L è la distanza fra la temperatura calda e la temperatura fredda espressa in [m]

Mentre per i solidi e i liquidi la Ct dipende solo dalla sostanza, nei gas dipende anche dalla pressione.
Per questo motivo per i gas i valori di conducibilità vengono normalmente riferiti alla pressione di 1 atmosfera.
Nel grafico sono riportati i valori di alcune sostanze.


Concludiamo con una considerazione.
L'elio è un fluido utilizzato molto spesso nei motori a combustione esterna perchè rispetto ad altri gas è caratterizzato da una migliore conducibilità (rispetto all'azoto è circa 6 volte più conduttivo).
Ma l'elio confrontato con i metalli riportati nel grafico fa prepotentemente realizzare che è sempre un gas e in quanto tale un buon isolante (l'elio rispetto al rame conduce 2500 volte peggio).
L'unica scappatoia per migliorare lo scambio termico quando si ha a che fare con i gas (e in generale con tutti i fluidi) è lavorare in presenza di convezione (meglio se forzata).

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INDICE DEI CONTENUTI

I. GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
30. Considerazioni sulla generazione elettrica
90. Analisi economica sulla cogenerazione domestica
26. L'alternatore lineare

II. GAS IDEALI: DALLE TRASFORMAZIONI AI MOTORI
1. L'equazione di stato dei gas perfetti: istruzioni per l'uso
3. P·V=n·R·T: considerazioni laterali
13. La trasformazione isocora
14. La trasformazione isoterma
15. La trasformazione isobara
16. La trasformazione adiabatica
65. La trasformazione isoentalpica
83. Confronto fra i processi isotermici e i processi isoentropici
2. Trasformazioni isocore e trasformazioni isobare: considerazioni sugli scambi energetici
4. Trasformazioni isoterme e trasformazioni adiabatiche: considerazioni sugli scambi energetici
74. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 1
75. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 2
76. Lavoro massimo ottenibile dall'aria compressa
91. Energia potenziale meccanica di un gas
5. Il ciclo di Carnot
12. Il trasferimento del calore
6. Il rigeneratore di calore
7. Il rigeneratore di calore - Parte seconda
28. Il rigeneratore di calore: basi teoriche
29. Dimensionamento del rigeneratore di calore
8. Il ciclo di Stirling
9. Efficienza del rigeneratore di calore e rendimento del ciclo di Stirling
10. Il ciclo di Brayton
11. Ciclo di Brayton: considerazioni su rendimento e lavoro utile
17. Il motore di Cayley free piston - Episodio 01
18. Il motore di Cayley free piston - Episodio 02
19. Il motore di Cayley free piston - Episodio 03
20. Il motore di Cayley free piston - Episodio 04
21. Il motore di Cayley free piston - Episodio 05
22. Il motore di Cayley free piston - Episodio 06
23. Il motore di Manson free piston - Episodio 07
24. Il motore di Manson free piston - Episodio 08
25. Il motore di Manson free piston - Episodio 09
27. Efficienza del rigeneratore e rendimento del motore di Manson
31. Il motore di Manson free piston - Episodio 10
32. Il motore di Manson free piston - Episodio 11
33. Il motore di Manson free piston a doppio effetto
34. Il motore di Manson LTD
35. Stufa con recupero termico
37. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto
38. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto - Seconda versione
39. Motore di Cayley e motore di Manson: considerazioni laterali
85. Falsi motori

III. DALL'ACQUA AL VAPORE
36. L'heat pipe
40. La tensione di vapore dell'acqua
41. Gli scambi termici dell'acqua liquida
42. Gli scambi termici nella vaporizzazione dell'acqua
43. Gli scambi termici dell'acqua a pressione costante
44. Cp dell'acqua vaporizzata: considerazioni laterali
45. La densità dell'acqua
46. Densità del vapore acqueo: considerazioni laterali
47. Il ciclo isobaro-isocoro del vapore
48. Entalpia ed energia interna
49. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 01
50. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 02
51. Il ciclo Rankine del vapore saturo
52. Il ciclo Rankine del vapore surriscaldato
53. L'espansione adiabatica del vapore nel diagramma di Mollier
54. Il Colibrì
55. Raccolta di link sui motori Uniflow
56. Motore a vapore con distributore a cassetto
58. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo A
59. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo B
60. Il ciclo termodinamico del Colibrì
61. Il Colibrì a vapore
62. Il lavoro di pompaggio nel Colibrì a vapore
63. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine
64. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine: considerazioni laterali
66. La trasformazione isoentalpica del vapore
67. Energia potenziale meccanica dei gas
68. Energia potenziale meccanica dei gas - Seconda Parte
69. L'energia potenziale meccanica del vapore saturo
70. Efficienza termomeccanica del vapore saturo
71. Efficienza termomeccanica del vapore surriscaldato
72. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 1
73. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 2
77. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 3
86. Il Colibrì è in realtà un leone
88. Ricerche sull'anteriorità del lion-Powerblock
89. The Una-flow Steam-engine (1912)
92. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 4
93. The Una-flow Steam-engine - Capitolo I
94. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 5
97. Il Colibrì – Descrizione dell’Idea
98. Il Colibrì – Contesto Commerciale
99. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE I
100. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE II
101. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE III
102. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE IV
103. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE V
104. Il Colibrì – Campi di Applicazione
105. Il Colibrì – Punti di Forza
106. Il Colibrì – Svantaggi

IV. RICERCA DI FRONTIERA
57. Considerazioni economiche sull'E-cat di Andrea Rossi
78. Dal compressore elettrochimico al catodo cavo di Arata/Celani
84. Il mondo non viene assimilato; viene fatto - Sir Karl Raimund Popper (1902 - 1994)
87. Speculazioni, azzardi e previsioni sulla fusione fredda
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107. E-Cat e dintorni
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110. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Il ciclo operativo
111. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Contributo al COP delle varie fasi del ciclo
112. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulla termodinamica e sulla cinetica
113. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sui requisiti termici e sulle tempistiche
114. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sull’importanza del rapporto fra la superficie e il volume del metallo
115. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulle critiche al COP>2 e alla perdita di controllo della reazione
116. Teoria per l'unificazione della materia e della radiazione
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119. Materia e radiazione elettromagnetica: consigli per la ricerca
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125. Stima del cammino libero medio
126. Mean free path evaluation
127. Dematerializzazione
128. Dematerialisation
129. Carica elettrica relativistica
130. Relativistic electric charge
131. Ragionamenti sulla carica elettrica relativistica
132. Reasoning on the relativistic electric charge
133. Conduzione elettrica nei gas
134. Electric flow in gases
135. Caricamento dell'idrogeno sui metalli