Termodinamica applicata cos’è? Se ti stai ponendo questa domanda, sei sicuramente uno studente di ingegneria industriale con indirizzo meccanico. Come saprai, termodinamica applicata è solitamente uno degli esami del secondo anno del corso di laurea in ingegneria meccanica.
Per dare una definizione di questa materia, bisogna rispondere a una domanda più mirata, vale a dire cosa studia la termodinamica? Si tratta della scienza che studia come trasformare il calore in energia/lavoro per far funzionare sistemi come turbine, motori e frigoriferi. Detto in altre parole, la termodinamica applicata spiega la modalità in cui una macchina genera potenza e insegna come progettare quella data macchina, affinché sia il più efficiente possibile.
Per capire davvero di cosa stiamo parlando, continua la lettura della nostra guida. Non risponderemo solo alla tua domanda iniziale “termodinamica applicata cos’è?”, ma ti daremo anche qualche consiglio utile per superare l’esame.
Termodinamica applicata cos’è: i sistemi
Partiamo dalle basi. La termodinamica studia i cosiddetti sistemi, caratterizzati dallo scambio di energia e materia. Cosa significa? Abbiamo due possibili sistemi:
- chiuso – scambia energia ma non materia. Il gas sigillato nel cilindro di un motore è un sistema chiuso, in quanto scambia calore e lavoro con l’esterno ma non scambia materia. Il gas cioè rimane sempre sigillato nel cilindro.
- aperto – scambia sia energia che materia. Appartengono a questa categoria i turbocompressori, in quanto aspirano aria e la spingono fuori compressa.
Ogni sistema, poi, è caratterizzato dalle seguenti tre variabili: pressione, temperatura e volume massico. Quest’ultimo rappresenta il volume occupato da 1 kg di gas. Le tre variabili sono collegate tra loro da un’equazione di stato. Se conosciamo due variabili, la terza è decisa tramite l’equazione di stato.
Primo principio della termodinamica
La termodinamica applicata si basa su dei principi. Partiamo dal primo:
L’energia non può essere creata o distrutta, ma solo trasformata.
Proviamo a spiegare questo principio in maniera semplice. Immagina un combustibile che brucia. Cosa fa? Genera calore. Quel calore può essere usato per espandere un gas. Infine, l’espansione di quel gas viene utilizzata per far muovere un pistone.
La traduzione matematica del primo principio della termodinamica è la seguente:
- ΔQ (calore fornito) = ΔL (lavoro) + ΔU (energia)
Secondo principio della termodinamica
Il secondo principio della termodinamica è il seguente:
Non è possibile trasformare in lavoro tutto il calore che proviene da una sola sorgente a temperatura costante.
Cosa significa? Il secondo principio della termodinamica ci dice, semplicemente, che nessuna macchina termodinamica potrà avere un rendimento pari al 100%. In parole povere, una parte del calore andrà sprecato.
Come futuro ingegnere meccanico, il tuo compito consisterà proprio nel calcolare il calore perso, in modo da massimizzare il rendimento della tua macchina.
Fu proprio per rispondere alla domanda “qual è la massima quantità di lavoro che possiamo ottenere da una certa quantità di calore?” che Sandi Carnot nel 1824 creò il cosiddetto ciclo di Carnot.
Il ciclo di Carnot
Il ciclo di Carnot descrive come un gas, chiuso all’interno di un cilindro, cambia volume e pressione per produrre lavoro, vale a dire per indurre il movimento di un pistone. Il ciclo si compone di quattro passaggi:
- espansione calda (isoterma): il gas assorbe calore e comincia a espandersi. L’espansione del gas spinge il pistone
- espansione isolata (adiabatica): il gas non assorbe più calore, ma continua a espandersi per inerzia. Ovviamente, in questa fase, il gas comincia anche a raffreddarsi
- compressione fredda (isoterma): il pistone torna indietro e il gas cede calore all’esterno
- compressione isolata (adiabatica): il gas viene compresso senza scambiare calore fino a quando non torna alla temperatura e alla pressione iniziali
Termodinamica nei motori: applicazioni pratiche
Arriviamo ora alla parte più interessante della nostra guida, riguardante le applicazioni pratiche di questa materia.
La termodinamica applicata è la cassetta degli attrezzi di un ingegnere meccanico. Non si tratta solo di una materia da studiare per superare l’esame. Dovrai farla tua perché ti servirà per le tue sfide future in campo ingegneristico.
Userai infatti, il primo principio per calcolare il lavoro prodotto. Il secondo, invece, ti servirà per definire l’efficienza massima del tuo sistema (motore, macchina, frigorifero ecc.). Una volta effettuati i tuoi calcoli, avrai un obiettivo da raggiungere. Come ingegnere meccanico il tuo compito consisterà nell’intervenire per massimizzare il lavoro (L) e minimizzare il calore di scarto (QF). Una volta laureato cioè applicherai le tue conoscenze termodinamiche per lavorare a tanti sistemi diversi, tra cui:
- impianti frigoriferi
- condizionatori
- pompe di calore
- compressori e pompe
- scambiatori di calore
- sistemi di ventilazione e umidificatori
- turbine a gas e turbine a vapore
- motori a combustione interna (motori a diesel e benzina delle auto)
- impianti di energie rinnovabili (solare termodinamico)
Esame termodinamica applicata
Il piano di studi di ingegneria meccanica prevede l’esame di termodinamica applicata al secondo anno. Ma come studiare termodinamica?
Parti dal presupposto che dovrai sia memorizzare i concetti che imparare ad applicarli. Gran parte della preparazione cioè dovrà essere incentrata sugli esercizi. Per superare l’esame, infatti, devi essere in grado di applicare i principi. Questo significa che dovrai organizzare la preparazione con logica e molto metodo.
La prima cosa da fare è stabilire quanto tempo hai a disposizione. In quante settimane cioè devi preparare il tuo esame? Una volta fissati i tempi, suddividi il carico di lavoro quotidianamente.
Stabilisci cioè ogni giorno quante ore devi studiare e dedica una parte di quelle ore a esercitarti. Abbinerai cioè sempre teoria e pratica. Durante la pratica, fai molta attenzione alle unità di misura. Non puoi confonderti e cadere in errore. Un piccolo trucco? Scrivi sempre le unità di misura accanto ai numeri nei vari passaggi.
Come studiare termodinamica: qualche suggerimento utile
Come ogni esame, anche quello di termodinamica applicata è caratterizzato da argomenti più semplici e da argomenti che richiedono maggiore impegno. Spesso, poi, gli studenti concordano nel trovare ostici alcuni argomenti, che diventano delle sorte di bestie nere dell’esame. Cosa significa? Facciamo un piccolo esempio.
Molti studenti non riescono a superare l’esame perché non riescono a leggere le tabelle delle proprietà del vapore. Se non vuoi incappare in questo problema e compromettere l’esito dell’esame, c’è un’unica cosa da fare: concentrati su tabelle e diagrammi durante la preparazione.
Se ti senti in difficoltà, chiedi aiuto a un collega di corso. Puoi organizzare cioè dei gruppi di studio con diversi colleghi, in modo da affrontare insieme esercizi e teoria e aiutarvi a vicenda.
Un’altra buona soluzione consiste nel rivedere le registrazioni delle lezioni. Grazie al sistema e-learning di Unicusano, hai a disposizione i video con le lezioni nella tua area privata della piattaforma universitaria. Usali. Sono uno strumento importantissimo. Se ci sono passaggi che ti sembra di non aver capito appieno, ascolta nuovamente la spiegazione del professore. Ti aiuterà a fare chiarezza e a sciogliere eventuali dubbi.
Un’altra strategia che potresti utilizzare per aiutare memorizzazione e comprensione è disegnare i cicli. Cosa significa? Prendi un foglio bianco e prova a disegnare da zero il ciclo Frigorifero o il ciclo di Rankine. Non solo, via via che disegni, spiega ad alta voce cosa succede in ogni fase del ciclo.
In questo modo ottieni un doppio risultato. Con questo piccolo stratagemma, infatti, non solo ripassi l’argomento, ma fai anche una semplice verifica della tua stessa preparazione. Cosa significa? Se ti rendi conto di riuscire a spiegare con facilità cosa succede nelle diverse fasi del ciclo, vuol dire che padroneggi alla perfezione l’argomento.
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