Valutazione dell’Efficienza dei Motori Termici: Applicazioni e Esercitazioni

Il rendimento di un motore è determinato dalla proporzione tra il lavoro effettuato e l’energia impartita al sistema. Questo concetto è fondamentale negli studi termodinamici, i quali analizzano come il calore può essere trasformato in lavoro meccanico e viceversa. Nata in Europa durante il XVIII secolo, la termodinamica svolge un ruolo cruciale nello sviluppo di macchinari ad alto rendimento energetico.

Il secondo principio della termodinamica rivela che il calore si trasferisce naturalmente dall’oggetto più caldo a quello più freddo e non al contrario.

Il Funzionamento dei Motori Termici

Analizziamo i motori termici, i quali si servono del calore per generare lavoro, come avviene nei motori a combustione interna ed esterna o nelle turbine a gas.

I motori termici sono caratterizzati dal principio che non tutto il calore assorbito (Q_h) può essere convertito in lavoro utile (W), e che una parte di esso (Q_c) viene ceduta al corpo freddo. Un processo ciclico permette al motore di ritornare allo stato iniziale senza variazioni nette dell’energia interna, che è una funzione di stato. Pertanto, il primo principio della termodinamica stabilisce che:

ΔU = Q – W = 0 e Q = W = Q_h – Q_c.

La misura dell’efficienza energetica, o E_eff, si calcola sulla base del rapporto tra W e Q_h, che è dato da E_eff = W / Q_h = 1 – Q_c / Q_h.

Rendimento nei Contesti Pratici

Tuttavia, nelle reali applicazioni i motori hanno un’efficienza relativamente bassa a causa di perdite svariate, quali:

– Attrito meccanico,
– Isteresi nei materiali magnetici,
– Calore disperso tramite effetto Joule.

Consideriamo una centrale elettrica a carbone che trasforma il calore derivante dalla combustione in energia per muovere le turbine e generare elettricità. Se il calore da combustione è di 2.50 ∙ 10¹⁴ J e se 1.48 ∙ 10¹⁴ J si disperdono nell’ambiente, si verifica la seguente reazione: C + O₂ → CO₂.

Esercitazione Pratica sul Rendimento

Determiniamo la quantità di CO₂ prodotta quotidianamente dalla combustione di carbone: con un rilascio energetico di 2.5 ∙ 10⁶ J per kg di carbone, il lavoro utile generato è:

W = Q_h – Q_c = 2.50 ∙ 10¹⁴ J – 1.48 ∙ 10¹⁴ J = 1.02 ∙ 10¹⁴ J.

L’efficienza di conversione risulta quindi E_eff = 1.02 ∙ 10¹⁴ J / 2.50 ∙ 10¹⁴ J ≈ 40.8%.

Quantificando l’output energetico giornaliero di 2.50 ∙ 10¹⁴ J, si calcola il consumo di carbone e la produzione di CO₂:

(2.50 ∙ 10¹⁴ J) / (2.5 ∙ 10⁶ J/kg) = 1.0 ∙ 10⁸ kg di carbone al giorno, e di conseguenza (1.0 ∙ 10⁸ kg) / (12 g/mol) = 8.3 ∙ 10⁹ moli di CO₂, equivalente a una massa di CO₂ di circa 3.7 ∙ 10⁸ kg.

Questo esercizio sottolinea l’importanza dell’efficienza energetica e dell’impatto ambientale delle scelte industriali nel nostro mondo.