Scopri come Thermonator ti aiuta a risolvere rapidamente i tuoi calcoli.
La termodinamica è più facile con Thermonator. Impara le funzioni di base e ti risparmierai molte ore di calcoli ripetitivi.
Ma è necessario imparare la termodinamica per usare Thermonator. Ad esempio, una calcolatrice scientifica calcola le funzioni trigonometriche, ma è necessario capire cos’è una funzione seno o le leggi degli angoli per risolvere i problemi di trigonometria. Thermonator calcola molto velocemente, ma è necessario eseguire i calcoli correttamente. È necessario capire cos’è un volume di controllo o le leggi della termodinamica per applicarli correttamente. Se non conosci la termodinamica, i tuoi calcoli saranno errati.
Non preoccuparti. Thermonator contiene numerose spiegazioni ed esempi per rispondere alle domande più comuni e aiutarti a evitare gli errori dei principianti.
I valori e le equazioni termodinamiche possono variare a seconda dell’esercizio che si sta risolvendo. Ad esempio, la pressione in bar non è la stessa della pressione in kilopascal e le equazioni utilizzate per i sistemi termodinamici chiusi e aperti non sono le stesse. Possono persino cambiare a seconda del libro di testo o della tabella che si sta utilizzando.
Ciò significa che è necessario considerare le condizioni dell’esercizio per garantire che i risultati siano corretti. Nelle sezioni seguenti, vedremo come Thermonator aiuta a definire queste condizioni.
Quale sistema termodinamico devi risolvere? Come lo analizzerai? Quali unità di misura utilizzerai?
Dopo aver letto l’enunciato del problema, questa schermata ti aiuterà a definire cosa risolverai e come lo analizzerai, assicurandoti di utilizzare i valori e le equazioni corretti.
Clicca sul pulsante “Nuovo esercizio” o apri il menu “Impostazioni > Nuovo esercizio” per accedere a questa schermata.
In questa schermata, il pulsante “Nuovo esercizio” cancella la configurazione corrente, richiedendo di selezionare nuove opzioni per garantire che non rimangano impostazioni indesiderate dall’esercizio precedente.
Premendo il pulsante “Esempi”, il menu “Dispositivi” mostra la configurazione di ciascun dispositivo termodinamico, ad esempio una turbina implica un sistema a volume di controllo aperto. Troverai anche link ad esercizi risolti che potrebbero esserti utili.
Infine, ci sono le opzioni di configurazione. Queste appaiono insieme in modo da poterle configurare rapidamente prima di iniziare a risolvere l’esercizio, sebbene sia anche possibile configurarle separatamente in seguito, come vedremo nelle sezioni seguenti.
Quali proprietà termodinamiche ti servono per risolvere il tuo problema?
È meglio visualizzare solo le proprietà che utilizzerai, poiché è più difficile concentrarsi quando sullo schermo compaiono molti numeri a causa del sovraccarico di informazioni.
Per risolvere questo problema, puoi utilizzare la schermata “Proprietà”.
La schermata “Proprietà” è accessibile tramite il menu “Impostazioni > Proprietà”.
Questa schermata mostra tutte le proprietà termodinamiche calcolate da Thermonator. Sono suddivise in quattro gruppi:
Proprietà di stato, ovvero i valori che caratterizzano uno stato termodinamico.
Proprietà di saturazione, ovvero le proprietà di uno stato al confine di un cambiamento di fase, ovvero liquido saturo o vapore saturo.
Proprietà di processo, ovvero i valori che caratterizzano un processo termodinamico.
Proprietà di ciclo, ovvero le efficienze del ciclo.
Ogni proprietà ha un pulsante “Informazioni” per saperne di più.
Ricorda che alcune proprietà possono avere valori diversi a seconda del libro di testo o del tipo di sistema termodinamico che stai risolvendo. Per questo motivo, alcune proprietà sono contrassegnate da icone per ricordarti, ad esempio, se si tratta di proprietà estensive o se il loro valore dipende dallo stato di riferimento. In caso di domande, clicca sulle icone per visualizzare maggiori informazioni su ciascuna proprietà.
Dobbiamo fare attenzione quando selezioniamo le unità per ogni esercizio, poiché le equazioni matematiche restituiscono sempre un risultato, ma tale risultato è corretto solo se anche le unità sono corrette.
Il menu “Impostazioni > Unità” apre la schermata per la selezione delle unità per l’esercizio.
La schermata Unità è composta da due parti. La prima è il “Selettore unità”, dove puoi configurare le unità che compaiono nell’esercizio.
La seconda è un “Convertitore unità”, nel caso in cui sia necessario eseguire calcoli rapidi da un’unità all’altra. Basta selezionare il tipo di unità che si desidera convertire e inserire il valore desiderato nell’unità corrispondente. Il risultato apparirà automaticamente convertito nelle altre unità di quel tipo.
Che tipo di sistema termodinamico devi risolvere? Quali equazioni utilizzerai per risolverlo?
L’analisi del sistema termodinamico determina le equazioni matematiche utilizzate per calcolare il lavoro svolto dai processi. Devi assicurarti di utilizzare le opzioni corrette per il tuo esercizio.
Apri il menu “Impostazioni > Analisi del sistema” per accedere a questa schermata.
È necessario configurare tre opzioni:
Sistema di controllo: i dispositivi termodinamici utilizzati nell’esercizio determinano come viene svolto o consumato il lavoro, ovvero l’equazione per il calcolo del lavoro del sistema. Scegliere il sistema di controllo in base ai dispositivi dell’esercizio. Il lavoro verrà calcolato utilizzando l’equazione per il sistema di controllo selezionato. Esistono due tipi:
Massa di controllo (sistema chiuso): la sostanza è racchiusa all’interno del dispositivo. Il dispositivo esegue o consuma lavoro a causa della variazione di volume occupato dalla sostanza, ovvero W = m ∫ P·dv
Volume di controllo (sistema aperto): la sostanza entra ed esce dal dispositivo. Il dispositivo esegue o consuma lavoro a causa della variazione di pressione a cui la sostanza è sottoposta, ovvero Wvc = m ∫ v·dP
Convenzione del segno: il segno nell’equazione del primo principio della termodinamica può cambiare, ma il suo significato rimane lo stesso. Sorprendente, vero? Selezionare l’opzione appropriata in base al materiale di riferimento utilizzato.
Convenzione negativa: alcuni libri considerano positivo il lavoro svolto da un dispositivo. In altre parole, il lavoro positivo diminuisce l’energia del sistema. Pertanto, per un sistema chiuso, il Primo Principio della Termodinamica è espresso come ΔU = Q – W.
Convenzione positiva: alcuni libri considerano positiva tutta l’energia che entra in un dispositivo. In altre parole, il lavoro positivo aumenta l’energia del sistema. Pertanto, per un sistema chiuso, il Primo Principio della Termodinamica è espresso come ΔU = Q + W.
Analisi unitaria: questa dipende dal fatto che si voglia misurare un’azione puntuale o continua del sistema.
Unità di energia: misuriamo un’azione puntuale del sistema. Ad esempio, il lavoro svolto dall’espansione di un cilindro-pistone, misurato in kilojoule.
Unità di potenza: misuriamo un’azione continua per unità di tempo. Ad esempio, il lavoro di una turbina in funzione, misurato in kilowatt, ovvero kilojoule al secondo.
In termodinamica, esistono diversi criteri per definire il contenuto energetico di una sostanza in un dato stato. Ad esempio, l’IIR (Istituto Internazionale della Refrigerazione) definisce un liquido saturo a 0 °C come avente un’entalpia di 200 kJ/kg e un’entropia di 1 kJ/(kg·K). Mentre l’IUPAC (Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata) definisce entalpia ed entropia pari a zero per un liquido saturo a 1 bar.
Per questo motivo, le tabelle termodinamiche possono visualizzare valori diversi per le proprietà energetiche a seconda dello stato di riferimento utilizzato.
Ciò significa che è necessario adattare i valori dello stato di riferimento per ciascuna sostanza in base alle fonti di riferimento.
Apri il menu “Impostazioni > Stato di riferimento” per accedere a questa schermata.
Regolare lo stato di riferimento è semplicissimo. Basta copiare i valori di entalpia ed entropia da qualsiasi stato nella tabella. Una volta applicati, Thermonator calcolerà automaticamente la regolazione necessaria in modo che i valori corrispondano a quelli nella tabella.
Premendo il pulsante “Preimpostazioni”, è possibile configurare lo stato di riferimento in base a diversi criteri:
Punto di ebollizione normale a 1 atm, utilizzato dal NIST.
Punto di ebollizione normale a 1 bar, utilizzato dall’IUPAC.
Quando si analizza una serie di valori, si preferisce leggerli in una tabella dati o visualizzarli in un grafico? Il nostro cervello interpreta meglio le immagini, ed è per questo che Thermonator utilizza il grafico termodinamico per facilitare la comprensione dei concetti teorici.
Ad esempio, i processi sono codificati a colori per distinguere chiaramente il tipo di processo in base al calore che generano:
Il rosso rappresenta i processi che assorbono calore.
Il blu rappresenta i processi che rilasciano calore.
Il verde rappresenta i processi adiabatici, che non assorbono né rilasciano calore.
Esaminiamo altri esempi.
Per quanto riguarda il Primo Principio della Termodinamica, sappiamo che il lavoro di espansione compiuto da un sistema cilindro-pistone è Wx = m ∫ P·dv. Su un grafico Pv, questo lavoro è l’area sotto la curva di espansione moltiplicata per la massa del processo.
Graficamente, è facile dedurre che il lavoro svolto aumenterà all’aumentare del volume finale del cilindro-pistone, poiché l’area sotto la curva sarà maggiore. Possiamo anche calcolare approssimativamente il lavoro di espansione contando i quadrati sotto la curva e moltiplicandoli per la massa del processo.
Inoltre, poiché il processo è rappresentato in rosso, sappiamo che ha richiesto l’assorbimento di calore per effettuare l’espansione.
Per quanto riguarda il Secondo Principio della Termodinamica, per comprendere la relazione tra calore ed entropia come Q = m ∫ T·ds, possiamo rappresentare un ciclo di Carnot su un grafico Ts e dedurre che il calore di ciascun processo è l’area sottesa alla sua curva moltiplicata per la massa del processo.
Graficamente, è evidente che i processi adiabatici, in verde, non generano né consumano calore poiché, essendo verticali, non hanno area sottesa. Il calore assorbito dal ciclo è uguale all’area racchiusa al suo interno, poiché l’area sottesa alla curva del processo 4-1, in rosso, deve essere ridotta dell’area sottesa al processo 2-3, in blu, perché è in direzione opposta. Infatti, possiamo calcolare questo calore contando i quadrati sotto la curva e moltiplicandoli per la massa del processo.
È anche evidente che il calore assorbito dal ciclo è proporzionale alla differenza di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda, poiché l’area all’interno del ciclo aumenta proporzionalmente a questa differenza.
In sintesi, il grafico ci permette di dedurre facilmente diverse caratteristiche del sistema termodinamico, le interazioni tra le sue proprietà, le situazioni indesiderate e così via. In altre parole, è di grande aiuto per comprendere il comportamento dei sistemi termodinamici.
Ora vedremo come calcolare utilizzando il grafico e adattare la sua rappresentazione alle esigenze dell’esercizio.
Utilizzando il pulsante “Sostanze”, seleziona la sostanza che desideri calcolare. Le sostanze sono classificate in tre tipi, ognuno con un proprio menu, a seconda del modello di calcolo utilizzato:
Gas perfetti: questo modello è il più semplice ed è ampiamente utilizzato negli esercizi perché i suoi calcoli sono molto facili. Utilizza un calore specifico costante e la legge dei gas perfetti, P·v = R·T. Per questo motivo, i libri di testo spesso trattano i gas perfetti come gas ideali.
Gas ideali: questo modello è il più noto grazie alla sua equazione di stato, P·v = R·T. Differisce dalla legge dei gas perfetti in quanto in questo caso il calore specifico varia con la temperatura.
Sostanze reali: questi modelli sono i più complessi perché calcolano lo stato di una sostanza, sia essa liquida o gassosa. Esistono molti modelli diversi: IAPWS, Benedict-Webb-Rubin, Peng-Robinson, ecc. Sia l’equazione di stato che il calore specifico sono funzioni complesse che differiscono per ogni sostanza.
Il menu “Cerca” apre una finestra di dialogo con un elenco in cui è possibile selezionare la sostanza con cui si desidera lavorare. Nel campo di testo, è possibile inserire il nome, l’alias o la formula chimica della sostanza per facilitare la selezione.
Per ciascuna sostanza, un pulsante “Informazioni” apre una schermata con informazioni sulla sostanza. Accanto, il pulsante “Preferiti” aggiunge la sostanza al menu principale delle sostanze per un accesso più rapido.
Il menu “Informazioni sulla sostanza” visualizza una schermata con informazioni generali sulla sostanza selezionata. Questa schermata contiene:
Dati principali: nome, formula chimica, massa molecolare e modello di calcolo.
Dati di saturazione, inclusa l’entalpia di vaporizzazione, al punto critico e alla pressione di ebollizione normale a 1 atmosfera e 1 bar.
Calori specifici e coefficiente gamma a diverse temperature.
Intervallo di validità per il calcolo degli stati di questa sostanza.
Uno stato termodinamico viene calcolato a partire da due proprietà. In Thermonator, ci sono due modi per inserire queste due proprietà per creare uno stato:
Se non è stato creato alcuno stato, inserisci i valori di due proprietà e clicca sul pulsante “Calcola”.
Puoi anche selezionare lo strumento “Nuovo stato” e cliccare sul grafico. Lo stato verrà calcolato utilizzando i valori delle coordinate del grafico, ad esempio pressione e volume su un grafico Pv, o temperatura ed entropia su un grafico Ts.
Per adattare le proprietà dello stato ai valori dell’esercizio, segui questi passaggi:
Modifica il valore di una proprietà. Questa sarà la prima proprietà utilizzata nel calcolo.
Fai clic su un’altra proprietà. La proprietà che stai modificando sarà la seconda proprietà. Puoi modificarne il valore o lasciarlo invariato.
Fai clic sul pulsante “Calcola”. Lo stato verrà calcolato utilizzando la proprietà modificata e la proprietà che stai modificando.
Noterete che quando modificate le proprietà, queste appaiono nel pulsante “Calcola” per indicare come verrà eseguito il calcolo.
Ci sono casi speciali, come la modifica dello stato iniziale o finale di un singolo processo. In un singolo processo, è comune mantenere la sua proprietà caratteristica, ad esempio la pressione in un processo isobarico. Pertanto, quando si modifica una proprietà, il pulsante Calcolatrice visualizzerà anche la proprietà caratteristica del processo per calcolare rapidamente il nuovo stato utilizzando sia la proprietà modificata che la proprietà caratteristica del processo.
Quando si modifica una proprietà, il suo valore appare in rosso per avvisare che non si tratta del valore effettivo della proprietà, ma piuttosto di un valore che viene modificato. Per ripristinare il valore originale, fare clic sul pulsante “Ripristina valori” situato nell’angolo in alto a destra del pannello “Proprietà”.
Ci sono situazioni in cui è necessario rinominare gli stati secondo un ordine specifico, ad esempio quando si creano cicli complessi con rami. Il pulsante “Stati” contiene il menu “Rinomina stati” per modificare il nome di ogni stato in base alla nomenclatura utilizzata nel nostro esercizio.
Questo stesso pulsante contiene anche menu per visualizzare ciascuno degli stati e dei processi creati nel grafico. Quando se ne seleziona uno, i valori delle sue proprietà verranno visualizzati nel pannello “Proprietà” e le scale del grafico si adatteranno automaticamente di conseguenza.
Cliccando sul pulsante “Tipo di grafico” si apre un menu con diverse opzioni. Le prime opzioni, Zoom e Scale, saranno trattate nella prossima sezione. Successivamente, vengono visualizzati i diversi tipi di grafico, la cui selezione modifica gli assi del grafico. Tra questi:
Grafico Pv: Questo è molto utile per comprendere il Primo Principio della Termodinamica. In questo grafico, l’area sottesa a un processo rappresenta il lavoro di espansione di un sistema chiuso, ovvero Wx = m ∫ P·dv, mentre l’area a sinistra del processo rappresenta il lavoro tecnico di un sistema aperto, ovvero Wt = m ∫ v·dP.
Grafico Ts: Questo è molto utile per comprendere il Secondo Principio della Termodinamica. In questo grafico, l’area sottesa a un processo rappresenta il calore di quel processo, ovvero Q = m ∫ T·ds. Per lo stesso motivo, i processi che si muovono verso destra assorbono calore e sono mostrati in rosso, i processi che si muovono verso sinistra rilasciano calore e sono mostrati in blu, e i processi verticali sono adiabatici e sono mostrati in verde.
Grafici pH e hs: sono ampiamente utilizzati, ad esempio, nell’analisi dei cicli con scambiatori di calore, perché l’entalpia rappresenta l’energia scambiata da ciascun processo.
Grafico PT: viene utilizzato per visualizzare la linea di saturazione e le diverse zone o fasi di una sostanza reale.
Le scale dei grafici possono essere regolate in diversi modi:
Il metodo più comune è cliccare e trascinare il righello orizzontale o verticale per spostare la scala corrispondente. È anche possibile toccare con due dita per ingrandire o ridurre.
Se si desidera evidenziare uno stato o un processo specifico, il pulsante “Stati” a sinistra dei nomi degli stati consente di selezionare uno stato o un processo per regolare automaticamente le scale dei grafici di conseguenza.
Un’altra azione comune è quella di ingrandire tutti gli stati e i processi calcolati selezionando l’opzione “Zoom” nel menu “Tipo di grafico”.
Per regolazioni più dettagliate, il pulsante “Tipo di grafico” contiene il menu “Scale” con diversi sottomenu:
Aiuto: visualizza un promemoria dei vari modi per regolare le scale.
Intervallo: apre una finestra di dialogo in cui è possibile inserire i valori minimo e massimo per la scala.
P log., T log., V log.: configura la rappresentazione di queste proprietà su una scala lineare o logaritmica.
Ora che sappiamo come configurare il grafico, vediamo come eseguire calcoli al suo interno.
Il pulsante “Strumenti” offre un menu di azioni per aggiungere, modificare ed eliminare elementi all’interno del grafico. Questi elementi sono stati, processi e cicli, ovvero i componenti di un sistema termodinamico.
Quando si seleziona uno di questi menu, il pulsante “Strumenti” viene rinominato in modo da corrispondere al menu, indicando l’azione che si desidera eseguire sul grafico. Cliccando sul grafico verrà eseguita l’azione corrispondente al menu selezionato.
Seleziona lo strumento “Nuovo Stato” e clicca sul grafico per creare uno stato con le proprietà di quelle coordinate del grafico, ad esempio pressione e volume su un grafico Pv, o temperatura ed entropia su un grafico Ts.
Dopo averlo creato, lo strumento “Sposta” viene selezionato automaticamente, consentendo di spostare lo stato all’interno del grafico.
Seleziona lo strumento “Nuovo Processo” per visualizzare il sottomenu con i tipi di processo che puoi creare. Appare anche il menu “Dispositivi”, contenente informazioni sulle caratteristiche principali dei dispositivi termodinamici più comuni, nonché il menu “Equazioni” con le equazioni per tutti i tipi di processo.
Una volta selezionato il tipo di processo:
Cliccando sul grafico si crea un processo con uno stato iniziale nel punto in cui si è cliccato e uno stato finale nel punto in cui si è rilasciato il clic.
Cliccando su uno stato si crea un nuovo processo da quello stato al punto in cui si è rilasciato il clic.
Il processo “Politropico” è un tipo speciale di processo che può essere calcolato solo con gas ideali.
Quando lo si crea, si noterà che non ci sono restrizioni sullo stato finale. Questo perché il processo può procedere in qualsiasi direzione in base al suo indice di politropia.
Per calcolare i suoi stati, nella schermata principale è possibile utilizzare due proprietà di stato come in qualsiasi altro processo, ma è anche possibile utilizzare una proprietà di stato e l’indice di politropia.
Il processo “Sconosciuto” viene utilizzato quando le proprietà interne del processo sono sconosciute, ovvero quando conosciamo solo gli stati iniziale e finale del processo. Gli stati iniziale e finale possono assumere qualsiasi valore, quindi il processo può procedere in qualsiasi direzione.
Il processo “Sconosciuto” è visualizzato in viola con un’icona di avviso. Il colore viola indica che non conosciamo il flusso di calore all’interno del processo e l’avviso indica che non conosciamo nemmeno le sue proprietà interne. Per calcolarne le proprietà, dobbiamo aprire la schermata “Bilancio energetico” e calcolare il bilancio in base ai dati dell’esercizio che stiamo risolvendo.
Seleziona lo strumento “Nuovo Ciclo” per aprire la schermata “Nuovo Ciclo”. Quando inizi a studiare la Termodinamica, è meglio creare cicli passo dopo passo per comprenderli e consolidare le tue conoscenze. In seguito, è meglio utilizzare questa schermata per risolvere rapidamente i problemi già appresi e concentrare l’attenzione su nuove sfide.
Questa schermata mostra i cicli termodinamici più comuni. Cliccando sul nome del ciclo, ne viene visualizzato il grafico e un link a informazioni aggiuntive. Il pulsante a destra apre la schermata di configurazione del ciclo selezionato.
Nella schermata di configurazione del nuovo ciclo, troverai il grafico del ciclo e i campi di testo per inserire i valori per le proprietà caratteristiche del ciclo.
A volte, i dati del tuo allenamento potrebbero non corrispondere a queste impostazioni. In tal caso, puoi creare il ciclo con valori diversi e quindi modificare i dati dell’allenamento nella schermata principale.
Se stiamo creando un ciclo passo-passo e vogliamo un ciclo chiuso, lo strumento “Chiudi ciclo” viene utilizzato per unire l’ultimo stato di un ciclo al primo stato.
Una volta selezionato questo strumento, clicchiamo sull’ultimo stato del ciclo nel grafico e lo trasciniamo finché non si sovrappone allo stato iniziale del ciclo. L’ultimo stato verrà automaticamente eliminato e il processo associato verrà unito allo stato iniziale.
Lo strumento “Seleziona” evidenzia uno stato o un processo in giallo e ne visualizza le proprietà nel pannello “Proprietà”. Per utilizzarlo, è sufficiente fare clic sullo stato o sul processo nel grafico. Un altro modo per selezionare uno stato o un processo è utilizzare i menu nel pulsante “Stato”, situato nell’angolo in alto a sinistra del pannello “Proprietà”.
Lo strumento “Sposta” è simile. Seleziona lo stato o il processo, ma consente anche di trascinarlo sul grafico per modificarne le proprietà.
Si consiglia di utilizzare lo strumento “Sposta” durante la creazione di stati e processi. Dopo aver modificato i dati dell’esercizio, è consigliabile utilizzare lo strumento “Seleziona” per evitare di modificarli accidentalmente.
Lo strumento “Elimina” consente di eliminare stati e processi semplicemente facendo clic su di essi nel grafico.
Per velocizzare le azioni comuni, quando si elimina uno stato con un singolo processo, viene eliminato anche quel processo. Allo stesso modo, quando un processo viene eliminato, vengono eliminati anche i suoi stati iniziale e finale, a meno che tali stati non appartengano anche a un altro processo.
Lo strumento “Inversione di processo” inverte lo stato iniziale e finale di un processo e viceversa.
Quando il processo appartiene a un ramo di un ciclo, tutti i processi all’interno di quel ramo vengono invertiti. Pertanto, se si tratta di un ciclo base, l’intero ciclo verrà invertito, il che lo rende uno strumento molto utile per analizzare rapidamente le differenze tra cicli di alimentazione e raffreddamento.
Lo strumento “Dividi processo” divide un processo in due. Ciò significa che crea un nuovo stato intermedio e collega lo stato iniziale allo stato intermedio, e lo stato intermedio allo stato finale.
Questo strumento è utile, ad esempio, per suddividere un processo di turbina in due parti: la turbina ad alta pressione e la turbina a bassa pressione.
Lo strumento “Processi a scala” semplifica la creazione di processi ripetitivi, come i processi di riscaldamento o raffreddamento. Ciascuno di questi processi è costituito da un processo isobarico e uno adiabatico, che vengono creati automaticamente con questo strumento.
In generale, selezionando questo strumento e cliccando su uno stato collegato a due processi, si inseriscono due nuovi processi analoghi a quelli esistenti, formando così una scala di processi.
In questa sezione esamineremo funzioni aggiuntive che velocizzano la soluzione di sistemi termodinamici o che sono semplicemente comunemente utilizzate durante l’apprendimento della termodinamica.
Le conversioni di unità sono molto comuni in Termodinamica e rappresentano una delle prime competenze che uno studente deve acquisire.
Il menu “Altre opzioni > Convertitore di unità” visualizza una finestra per facilitare queste conversioni. È importante ricordare che, oltre a selezionare le unità di misura, il menu “Impostazioni > Unità” contiene anche un convertitore di unità.
Il convertitore di unità include un selettore per il tipo di unità che si desidera convertire e le unità disponibili per quel tipo di unità.
Queste unità sono:
Pressione: Bar, Atmosfera, Atmosfera Tecnica, Kilopascal, Megapascal e PSI Assoluti.
Temperatura: Kelvin, Celsius, Rankine e Fahrenheit.
Volume: Metro cubo, Litro, Piede cubo e Gallone (USA).
Massa: Mole, Kilomol, Chilogrammo, Libbra e Libbra-mole.
Energia: Joule, Kilojoule, Chilocaloria, Chilowattora e BTU.
Potenza: Watt, Kilowatt, Cavallo vapore (internazionale), Cavallo vapore (UK), Btu al secondo e Btu all’ora.
Il valore di ciascuna unità è modificabile, quindi la modifica di tale valore aggiorna automaticamente i valori delle altre unità per mantenere la coerenza tra tutte le unità visualizzate.
Un caso speciale sono le unità di massa, che richiedono la configurazione della massa molecolare della sostanza per convertire correttamente i valori tra tutte le sue unità.
L’interpolazione nelle tabelle è probabilmente il calcolo più ripetuto (e temuto) dagli studenti di Termodinamica. Per risolvere questo problema, Thermonator offre un interpolatore che semplifica questi calcoli e mostra la soluzione passo dopo passo, in modo che gli studenti possano controllare rapidamente il loro lavoro e concentrarsi sulla comprensione di altri concetti di Termodinamica.
Il menu “Altre opzioni > Interpolazione” apre la finestra per l’interpolazione dei valori nelle tabelle termodinamiche.
Questa finestra esegue interpolazioni lineari in una o due dimensioni. L’opzione unidimensionale viene in genere utilizzata per l’interpolazione nelle tabelle di saturazione, mentre l’opzione bidimensionale viene utilizzata per l’interpolazione nelle tabelle di liquidi sottoraffreddati o vapori surriscaldati.
In alto, il pulsante “Informazioni” mostra le equazioni utilizzate per calcolare ciascuno dei valori di interpolazione fino al raggiungimento del risultato finale.
Il pulsante “Dimensioni” consente di scegliere tra interpolazione lineare monodimensionale o bidimensionale.
I selettori “Dati” e “Calcola” facilitano l’inserimento dei dati. Le tabelle sono solitamente tabulate in base a pressione e temperatura, quindi almeno una di queste variabili farà parte dei dati.
Ad esempio, supponiamo di voler interpolare l’entropia in due dimensioni e di avere tabelle di vapore surriscaldato a pressioni di 400 e 600 kPa tabulate in base alla temperatura. In questo caso, come mostrato nell’immagine allegata, selezioneremo “P” come primo punto dati, poiché le tabelle sono a una pressione fissa, e “T” come secondo punto dati, poiché le tabelle sono tabulate a temperature diverse. In “Calcola”, selezioneremo “s” poiché questa è la variabile che vogliamo calcolare. Con questa configurazione, i nomi delle variabili necessarie per l’interpolazione verranno compilati automaticamente, semplificando notevolmente l’inserimento di ogni dato.
Una volta configurata, è sufficiente inserire i dati necessari e l’interpolatore calcolerà automaticamente il risultato dell’interpolazione.
Infine, un pannello in basso mostra eventuali dati mancanti necessari per l’interpolazione o eventuali errori. Possibili errori includono numeri inseriti in modo errato o dati al di fuori dell’intervallo di interpolazione (ad esempio, estrapolazioni).
Le proprietà di saturazione sono un elemento ricorrente nei calcoli per le sostanze reali.
Il menu “Altre opzioni > Saturazione” visualizza un pannello in cui è possibile calcolare rapidamente questi tipi di proprietà.
È importante notare che le proprietà di saturazione possono essere calcolate facilmente anche nella finestra principale. È sufficiente visualizzare la proprietà “Titolo di vapore” e calcolare uno stato basato su questa proprietà e su qualsiasi altra proprietà. I valori saranno “liquido saturo” quando il titolo di vapore è zero e “vapore saturo” quando il titolo di vapore è uguale a uno.
Il pannello “Proprietà di saturazione” contiene innanzitutto un selettore per indicare se si desidera immettere un valore di liquido saturo o di vapore saturo. Successivamente, un altro selettore indica il tipo di proprietà che si desidera calcolare ed è possibile immettere il suo valore nel campo di testo adiacente.
Utilizzando questa configurazione, viene calcolato lo stato di saturazione corrispondente e i valori delle proprietà per gli stati di liquido saturo e vapore saturo vengono visualizzati automaticamente in basso.
Vale la pena notare che alcune sostanze sono miscele zeotropiche e, pertanto, non mantengono una temperatura costante per un cambiamento di fase a pressione costante. Questa variazione è chiamata “temperatura di scorrimento” e si riflette in questo pannello perché i valori di temperatura per il liquido saturo e il vapore non corrispondono.
Ci sono situazioni in cui una sostanza modifica la sua velocità o altezza, o subisce dissipazione o altri trasferimenti di energia che alterano i risultati di un modello di processo di base.
In questi casi, il bilancio energetico viene utilizzato per determinare le proprietà del processo.
In Thermonator, è comune utilizzare un processo “Sconosciuto” da uno stato iniziale a qualsiasi stato finale, senza restrizioni, e quindi determinare le proprietà di tale processo nella finestra “Bilancio energetico”. Tuttavia, se il tipo di processo è noto, è anche possibile creare qualsiasi tipo di processo e determinare le modifiche che ha subito nella stessa finestra.
Il menu “Altre opzioni > Bilancio energetico” visualizza la finestra per modificare il bilancio energetico di qualsiasi processo.
È importante ricordare che le proprietà e le equazioni in questa finestra cambieranno a seconda della configurazione impostata per l’esercizio: sistema di controllo, convenzione dei segni, ecc.
Il primo passo consiste nel selezionare il processo di cui si desidera modificare il bilancio energetico. È possibile selezionare qualsiasi tipo di processo, sebbene il tipo “Sconosciuto” sia più comune in questi casi perché consente la definizione indipendente degli stati iniziale e finale, senza alcuna restrizione tra di essi. Una volta selezionato il processo, le sue proprietà vengono visualizzate nelle sezioni seguenti.
Il secondo passo consiste nel modificare le proprietà del processo, inclusi i suoi stati iniziale e finale.
Nei sistemi chiusi, possiamo modificare l’energia interna degli stati e, nei sistemi aperti, l’entalpia, ovvero la proprietà che influenza il bilancio energetico. In entrambi i casi, viene fornita una seconda proprietà, che rimarrà costante, per consentirci di calcolare il nuovo stato quando l’energia interna o l’entalpia vengono modificate.
Anche l’energia cinetica e potenziale, la velocità e l’altezza dello stato possono essere modificate. Modificando l’energia cinetica, la velocità e l’altezza dello stato cambieranno automaticamente, poiché sono correlate. Lo stesso vale per l’energia potenziale e l’altezza.
Infine, è possibile modificare Massa, Calore, Lavoro, Dilatazione o Lavoro Tecnico e Lavoro Dissipativo. Nel caso del processo “Sconosciuto”, queste proprietà non sono definite di default, quindi è necessario impostarle a zero o al valore determinato dall’esercizio in corso di risoluzione.
La terza sezione mostra i risultati delle modifiche apportate.
Incrementi di energia parziali che verranno aggiunti al bilancio totale: Aumento di Energia Interna o Entalpia, Aumento di Energia Potenziale e Aumento di Energia Cinetica.
Equazione del bilancio energetico, in base alla configurazione dell’esercizio. Se il bilancio non è soddisfatto, il pulsante “Risolvi” consente di selezionare una proprietà da regolare automaticamente per raggiungere il bilancio.
Equazione del lavoro al contorno, in base alla configurazione dell’esercizio. Se questa equazione non è soddisfatta, il pulsante “Risolvi” consente di selezionare una proprietà da regolare automaticamente per raggiungere questa equazione.
Il pannello inferiore mostra eventuali errori nella configurazione di questa finestra, insieme al pulsante “Applica” che si attiva quando tutti i calcoli sono corretti. Premendo il pulsante “Applica”, le impostazioni effettuate in questa finestra vengono applicate al processo originale nella schermata principale.
Gli scambiatori di calore e le camere di miscelazione sono dispositivi molto comuni nei sistemi termodinamici. Per questo motivo, Thermonator offre una finestra dedicata per calcolare rapidamente i processi coinvolti nello scambiatore.
Il menu “Altre opzioni > Scambiatori” visualizza un elenco di scambiatori di calore e camere di miscelazione.
L’elenco degli scambiatori è composto da quattro tipologie:
Scambiatore generico: uno scambiatore personalizzato con un numero variabile di ingressi, uscite e sostanze coinvolte nello scambio energetico.
Scambiatori chiusi (Scambiatori di calore): turbina a gas e scambiatore chiuso a due ingressi.
Scambiatori aperti (Camere di miscelazione): scambiatori aperti a due e tre ingressi.
Scambiatore misto a tre ingressi.
Cliccando sul nome di ciascuna tipologia, vengono visualizzati lo schema elettrico, il numero di ingressi e uscite e il grafico termodinamico dei processi coinvolti nello scambiatore.
Cliccando sul pulsante a destra del nome si apre la finestra per il calcolo di ciascun scambiatore di calore.
Nella finestra di calcolo dello scambiatore di calore, lo schema, la tipologia e il diagramma dello scambiatore vengono visualizzati in alto, fornendo un riferimento durante la configurazione e le regolazioni.
Il primo passo del calcolo è la selezione dei processi dello scambiatore di calore. Tutti i processi all’interno dello scambiatore devono essere isobarici, ma devono anche soddisfare altre condizioni specifiche dello scambiatore selezionato. Ad esempio, la temperatura minima di un processo esotermico non può mai essere inferiore alla temperatura minima dei processi endotermici. Nel caso di camere di miscelazione, i processi devono condividere uno stato comune, che sarà lo stato di uscita della camera.
Il secondo passo consiste nell’aggiustare il bilancio energetico dello scambiatore, assicurandosi che la somma delle variazioni di entalpia dei processi coinvolti sia pari a zero. Per raggiungere questo obiettivo, è possibile modificare la massa e le entalpie in ingresso e in uscita di ciascun processo. Le variazioni di entalpia per ciascun processo e il bilancio energetico complessivo dello scambiatore vengono quindi calcolati automaticamente.
Il terzo passo consiste nell’aggiustare il bilancio di massa dei rami del ciclo a cui appartiene lo scambiatore di calore. Questa sezione visualizza tutti gli stati del ciclo con rami, consentendo di regolare le masse dei rami non ancora regolati nel passaggio precedente.
Una volta completato il processo, il pannello inferiore contiene il pulsante “Applica” per trasferire le regolazioni al sistema termodinamico nella schermata principale. In caso di errore, questo stesso pannello visualizzerà il problema e il pulsante “Applica” verrà disabilitato per impedire l’inserimento di dati errati nel sistema.
Sappiamo già come calcolare tutto. Abbiamo imparato come impostare il nostro esercizio, creare il sistema termodinamico in base ai nostri dati ed eseguire i calcoli necessari. Ora è il momento di analizzare i risultati ottenuti e trascriverli nel nostro compito o nella nostra relazione di lavoro. I menu “Risultati” e “Condividi” servono proprio a questo.
Il menu “Altre opzioni > Risultati > Riepilogo” visualizza informazioni su tutti gli elementi termodinamici calcolati.
In questa finestra, la prima sezione mostra la configurazione dell’esercizio, ovvero i parametri utilizzati per calcolare le proprietà termodinamiche. È importante ricordare che configurazioni diverse produrranno valori di proprietà diversi.
Successivamente, la seconda e la terza sezione mostrano rispettivamente le proprietà degli stati e dei processi termodinamici. Per evitare un sovraccarico di informazioni, vengono visualizzate solo le proprietà selezionate dall’utente nella finestra “Mostra proprietà”.
L’ultima sezione mostra le proprietà dei cicli calcolati. Un ciclo può essere chiuso, ma può anche essere costituito da uno o due soli processi, ovvero un “ciclo aperto”. In questo modo, vengono sempre visualizzate le somme delle proprietà dei processi adiacenti. Come nelle sezioni precedenti, vengono visualizzate solo le proprietà selezionate dall’utente nella finestra “Mostra proprietà”.
Il menu “Altre opzioni > Risultati > Calcoli” visualizza informazioni sulle equazioni e le procedure utilizzate per calcolare tutti gli stati e i processi termodinamici nel grafico.
Questa finestra contiene spiegazioni dettagliate per il calcolo delle proprietà degli stati e dei processi. È utile per controllare i risultati quando si eseguono manualmente le stesse operazioni. Ricordarsi di fare attenzione alle unità di misura, poiché i valori delle proprietà devono essere espressi nelle stesse unità delle equazioni. Inoltre, tenere presente che le impostazioni dell’esercizio determinano le equazioni da utilizzare e, di conseguenza, i risultati.
La prima sezione mostra come sono stati calcolati gli stati. La procedura di calcolo dipende dalla sostanza in questione e dallo stato di riferimento definito per tale sostanza, quindi queste informazioni vengono mostrate per prime. Ogni stato è quindi definito da due proprietà e, a partire da queste due proprietà, vengono visualizzate le equazioni utilizzate per calcolare le proprietà rimanenti. Nel caso del calcolo di un gas ideale, le equazioni sono semplici e i calcoli possono essere seguiti passo dopo passo. Nel caso di un gas ideale, il calore specifico viene calcolato a partire da una funzione complessa della temperatura, quindi questi calcoli saranno indicati come cp = f(T). Per le sostanze reali, tutte le equazioni utilizzate sono complesse, quindi viene mostrata solo la procedura.
La seconda sezione presenta i calcoli che devono essere eseguiti per determinare le proprietà dei processi. In primo luogo, viene mostrato il sistema di controllo, poiché l’equazione utilizzata per calcolare il lavoro dei processi dipende da esso. Per ciascun processo, viene mostrato l’algoritmo utilizzato per determinarne gli incrementi di energia interna ed entalpia, insieme a come, sulla base di questi valori e a seconda del tipo di processo, sia possibile calcolare il calore e il lavoro di quel processo.
Il menu “Altre opzioni > Risultati > Bilanci” mostra i risultati dei bilanci di massa, energia ed entropia, nonché il lavoro al contorno dei processi.
È importante ricordare che le equazioni e i valori dei bilanci dipendono dalla configurazione dell’esercizio. Pertanto, è necessario assicurarsi di aver impostato una configurazione corretta prima di verificare questi valori.
La prima sezione mostra il bilancio di massa per ogni stato termodinamico in base alla massa dei processi che entrano ed escono dallo stato. Se si calcola un sistema di massa di controllo, il bilancio verifica che la massa iniziale dello stato sia uguale alla sua massa finale. Se si calcola un volume di controllo, il bilancio verifica che la massa che entra nello stato sia uguale alla sua massa che lo esce. Esistono casi speciali, come gli stati finali di un ciclo aperto, ovvero gli stati in cui un ciclo inizia e finisce, poiché il bilancio di massa non è applicabile in questi casi.
La seconda sezione verifica il bilancio energetico secondo il primo principio della termodinamica per ogni processo termodinamico. L’equazione utilizzata nel bilancio energetico dipende dalla configurazione dell’esercizio, in particolare dal sistema di controllo e dalla convenzione dei segni selezionata.
La terza sezione mostra il lavoro al contorno per ciascun processo. Questo controllo è utile quando il processo presenta lavoro dissipativo e/o aumenti di energia cinetica o potenziale, proprietà gestite nella finestra “Bilancio energetico”.
L’ultima sezione è il bilancio dell’entropia per ciascun processo. È importante ricordare che, per verificare questo bilancio, le unità di temperatura utilizzate per il calcolo devono essere assolute, ovvero Kelvin o Rankine.
Il menu “Altre opzioni > Condividi” contiene sottomenu per esportare i risultati in altre applicazioni.
A seconda del sottomenu selezionato, condividerai testo o un’immagine:
Riepilogo: Testo con la configurazione e le proprietà di stati, processi e cicli.
Calcoli: Testo con la configurazione e le equazioni per il calcolo di stati e processi.
Bilanci: Testo con i bilanci di massa, energia ed entropia, e il lavoro al contorno.
Selezione: Testo con gli stati e i processi selezionati nella schermata principale.
Grafico: Immagine del grafico principale e delle sue scale.
Schermo: Immagine della schermata principale.
Thermónator: Testo con il link per scaricare Thermonator.
Dopo aver selezionato il testo o l’immagine da condividere, viene visualizzata una finestra di dialogo che chiede di scegliere l’applicazione in cui si desidera esportare i dati. Queste applicazioni sono installate sul telefono cellulare, quindi possono variare per ciascun utente: Mail, WhatsApp, Facebook, Instagram, X, TikTok, Reddit, LinkedIn, ecc.
