venerdì 7 gennaio 2011

Nuovi regolamenti per le regate comunali a Venezia, cosa ne penso.


Il ciclo di Rankine è, in termodinamica, un ciclo che si compone di due trasformazioni adiabatiche e di due isobare.
Nella trasformazione adiabatica il sistema non scambia calore con l’esterno, mentre in quella isobara il sistema rimane a pressione costante.
Sarebbe ora opportuno enunciare i principi della termodinamica per capire più concretamente di cosa sto parlando, prima ancora di spiegare cos’è la termodinamica. Esiste wikipedia per cui mi limiterò ad una breve definizione. La termodinamica è quel ramo di fisica (anche della chimica) che si occupa delle implicazioni tra materia ed energia, cioè delle trasformazioni di materia ed energia. Un “sistema termodinamico” è immerso in un ambiente e con esso può interagire. Un sistema termodinamico può essere quindi un apparato ben definito o semplicemente una porzione di universo che si prende in esame rispetto al rimanente ambiente esterno.
Il primo principio della termodinamica riguarda la conservazione di energia e normalmente si enuncia con questa eguaglianza ΔU=Q-L dove U è l’energia del sistema, Q il calore scambiato tra ambiente e sistema e L il lavoro compiuto per riportare in equilibrio lo scambio di energia (in un certo senso per “giustificare” lo scambio).
Il secondo principio è quello che definisce l’impossibilità di creare un “moto perpetuo” e in pratica introduce il concetto di entropia. Attualmente la definizione più usata è “In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo” anche se esistono varie formulazioni a seconda che si consideri il calore (Clausius) o il lavoro (Kelvin-Planck).
Il terzo principio è in realtà strettamente collegato al secondo e in qualche modo è un teorema vero e proprio che definisce l’entropia, per esempio enunciando che “nello stato a minima energia l'entropia ha un valore ben definito che dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale".
Per non perdermi ulteriormente con l’introduzione di altri concetti, ho trovato già pronta una spiegazione generale molto sintetica di bilancio energetico di un sistema, utile a completare meglio il quadro sul primo principio dell termodinamica che di fatto è quello che ci interessa parlando di ciclo di Rankine.

(da wikipedia)
Per poter definire il primo principio, in termini di bilancio energetico, c'è bisogno di due postulati essenziali:
  • L'energia non si genera.EG = 0)
  • L'energia non si distrugge.ED = 0)
Da questi due postulati, discende che per un sistema isolato (ovvero senza flussi di energia che vengono dall'esterno) l'energia è costante. L'universo termodinamico è un esempio di sistema isolato.
È utile definire attraverso quali modalità è possibile scambiare energia con il sistema considerato istante per istante, a tal proposito parleremo di:
  • Flusso convettivo: se il tipo di scambio energetico è dovuto alla variazione della massa del sistema considerato a cui è associata un'energia (ad esempio spingendo 1 kg di acqua ad una certa velocità w in una caldaia, questa massa avrà un'energia cinetica, oppure se lascio cadere del liquido da una certa altezza sarà presente un contributo di energia potenziale).
  • Calore: se la causa della variazione di energia del sistema dipende da una variazione di temperatura. Chiameremo tale scambio energetico potenza termica (energia termica fornita al sistema nell'unità di tempo), indicandola con m_puntato_e. L'unità di misura nel SI è, in questo caso, il watt (W).
  • Lavoro: se la causa della variazione energetica è diversa da tutte quelle sopra evidenziate. Chiameremo tale scambio energetico potenza meccanica e la indicheremo con m_puntato_u. Anche in questo caso l'unità di misura è il watt (W).
Premesso ciò, possiamo dire che per un volume interessato da più contributi per ogni tipologia di scambio energetico, il bilancio di energia si può scrivere come:
in cui il primo membro dell'equazione rappresenta tutte le forme di energia del sistema, mentre il secondo membro raggruppa tutti gli apporti energetici (che possono andare dall'ambiente verso il sistema se ricevuti dal sistema o dal sistema verso l'ambiente se ceduti dal sistema). Tale formula può essere scritta anche in forma più compatta facendo ricorso all'introduzione del concetto puramente semplificativo di metalpia:

In particolare il primo membro rappresenta la variazione totale dell'energia all'interno del sistema rispetto al tempo Θ, i termini Q puntato e L puntato rappresentano le potenze termica e meccanica rispettivamente (entranti ed uscenti dal sistema per flusso), mentre gli altri due addendi rappresentano masse che entrano ed escono dal sistema apportando o asportando energia cinetica w^2/2, potenziale gz ed interna specifica per ogni massa u (termini convettivi). Gli scambi di massa in ingresso sono da considerarsi con portata massica m_puntato_e positiva, mentre gli scambi di massa in uscita sono da considerarsi con portata massica m_puntato_u negativa. (fine citazione)

Come dicevo basta cercare su wikipedia per aver un quadro, pur riassuntivo, ma sempre dettagliato degli altri fondamenti alla base di tutto il processo.
Una macchina termica ha delle funzioni specifiche nell’atto pratico, pensiamo ad un motore a scoppio, ad un frigorifero etc. etc. ma funziona benissimo anche sulla carta.
Pensando alle centrali elettriche vien da pensare al solo combustibile necessario per far funzionare le centrali, per cui si dirà centrale a carbone, a gas, a olio combustibile, nucleare etc. etc. ma di fatto il meccanismo di base che fa funzionare una centrale è il ciclo di Rankine o meglio di Hirn, visto che poi si usa surriscaldare il vapore per aumentarne il rendimento.
Nella realtà le cose sono ancora più complesse e ogni impianto ha le sue peculiarità, interessante è capire comunque il funzionamento di base.
Vediamo allora questo ciclo di Rankine.
Innanzitutto questo ciclo può essere “aperto”, cioè con dispersione verso l’ambiente del vapore usato (locomotiva a vapore) o “chiuso” come appunto accade nelle centrali elettriche.
1-    Trasformazione isobara. Il mezzo termodinamico aumenta di temperatura ma resta a pressione costante. La caldaia fornisce calore e aumenta la temperatura dell’acqua che continua a scaldarsi.
2-    Trasformazione adiabatica. Il mezzo rilascia tramite la turbina il lavoro al sistema esterno e passa allo stadio successivo.
3-    Trasformazione isobara. Attraverso un condensatore, a pressione costante viene ridotta la temperatura e “condensato” il vapore che…
4-    Trasformazione adiabatica. …con una pompa viene riimmesso nella caldaia facendone aumentare la pressione (ecco il lavoro esterno che viene immesso nel sistema) e il ciclo ricomincia.

 diagramma T-S del ciclo di Rankine

Il ciclo di Hirn è simile solo che consente di portare il vapore a più alte temperature, in quanto la presenza di acqua nella turbina può danneggiare le pale della turbina stessa. Nel ciclo di Hirn viene rimmesso nella caldaia del vapore che in questo modo può essere portato a temperature superiori. Il limite attuale possibile di temperature del vapore si aggira sui 600°C (620°C se non erro) ed è un limite tecnico, non teorico. Gli impianti nella realtà useranno temperature un po’ più basse del limite tecnico per motivi di sicurezza e di costi.
Questo in soldoni… la dissertazione più scientifica prevede di enunciare più concetti e fare anche qualche ragionamento di tipo “matematico”.

 diagramma T-S del ciclo di Hirn

Forse ho sbagliato, dirà qualcuno, a riportare questo testo su un post che doveva parlare di regolamento tecnico di gare di voga veneta. No, non è stato uno sbaglio. Credo che si potranno fare tutti i passi in avanti che si vorranno sul regolamento delle regate comunali ma di fondo resterà il problema che, a parte pochi regatanti corretti, molti vogatori non lo leggeranno e non lo impareranno mai. Si spera che almeno i giudici lo imparino un po’ meglio di quanto fatto fino ad adesso. La cosa credo non mi riguardi più di tanto, anche se mi era passata per la testa l’idea di poter provare a partecipare al bando per accedere al corso per giudici di voga veneta. Ma ho capito che sarebbe inutile per me, inutile per chi fa regate.
In fondo un regatante e un giudice non sono come un mezzo termodinamico. Un mezzo termodinamico segue per forza e senza scampo le leggi della fisica. In certi determinati ambienti (molti per la verità) le persone tendono a scappare dalle regole e a dettarsele a proprio comodo a seconda di come convenga in quel momento. Motivo per il quale il mio modo di vedere le cose, specialmente quando si tratta di applicare un regolamento, non si concilia con quello della media dei regatanti veneziani.


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