Parlando di gas e di vapore è facile restare intrappolati in un labirinto di formule. Ho pensato perciò di realizzare alcuni strumenti di calcolo che permettono di simulare i processi di espansione e compressione senza dover conoscere necessariamente i dettagli teorici dietro le quinte. Questi simulatori non richiedono alcuna installazione sul proprio pc perché sono accessibili come una semplice pagina web.
Al momento sono disponibili solo gli strumenti relativi alle trasformazioni dei gas ideali:
1) Per la trasformazione isocora cliccare su http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isochoric-process.aspx
2) Per la trasformazione isoterma cliccare su http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isothermal-process.aspx
3) Per la trasformazione isobara cliccare su http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isobaric-process.aspx
4) Per la trasformazione adiabatica cliccare su http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isentropic-process.aspx
Diversi altri strumenti verranno realizzati nei prossimi mesi sperando di riuscire a mantenere le scadenze riportate nella pagina web del sito.
Gli strumenti sono gratuiti e anche se ci sono delle spiegazioni di massima per poterli utilizzare, non è detto che siano intuitivi.
Se ci sono domande, critiche od osservazioni sono a disposizione.
Yuz di Scienza Laterale
Simulatori sui gas e sul vapore
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Ferrobattuto
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Re: Simulatori sui gas e sul vapore
Bhè, innanzitutto GRAZIE.
Immagino che possano contribuire di molto a chiarire le idee ai profani come me.
Però, visto che molti come me sono digiuni perfino dei significati di molti termini usati, visto che siamo utenti di un forum sulle energie rinnovabili e molto spesso abbiamo "sognato" di autocostruirci un motore a vapore, non ci sarebbe un modo per metter su un programma in grado di dimensionarlo?
Tanto per fare un esempio: tempo fa in un'altra discussione si "parlava" (diciamo pure "sproloquiava") di un motore a vapore casalingo, a vapore saturo, che desse 500 o 1000W di potenza all'asse. Bene, dando magari per scontato un rapporto prefissato tra corsa e alesaggio, poter dire che ci vuole un pistone di tot centimetri di diametro e di conseguenza una certa corsa, con tale pressione a tali giri.
Anche solo un dimensionamento di massima, approssimativo, da prendere come esempio per chi volesse mettersi all'opera.
Qualcuno ha parlato anche di cogenerazione, per cui i rendimenti eccelsi non servirebbero neanche.
Molti di noi (me in primis) non hanno le conoscenze adatte per poter calcolare una cosa del genere, ma magari la pratica di meccanica e la capacità di realizzarlo si....
Immagino che possano contribuire di molto a chiarire le idee ai profani come me.
Però, visto che molti come me sono digiuni perfino dei significati di molti termini usati, visto che siamo utenti di un forum sulle energie rinnovabili e molto spesso abbiamo "sognato" di autocostruirci un motore a vapore, non ci sarebbe un modo per metter su un programma in grado di dimensionarlo?
Tanto per fare un esempio: tempo fa in un'altra discussione si "parlava" (diciamo pure "sproloquiava") di un motore a vapore casalingo, a vapore saturo, che desse 500 o 1000W di potenza all'asse. Bene, dando magari per scontato un rapporto prefissato tra corsa e alesaggio, poter dire che ci vuole un pistone di tot centimetri di diametro e di conseguenza una certa corsa, con tale pressione a tali giri.
Anche solo un dimensionamento di massima, approssimativo, da prendere come esempio per chi volesse mettersi all'opera.
Qualcuno ha parlato anche di cogenerazione, per cui i rendimenti eccelsi non servirebbero neanche.
Molti di noi (me in primis) non hanno le conoscenze adatte per poter calcolare una cosa del genere, ma magari la pratica di meccanica e la capacità di realizzarlo si....
Buone realizzazioni a tutti!
Ferrobattuto
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Re: Simulatori sui gas e sul vapore
Ciao Ferro, purtroppo credo che dovrai aspettare un bel po’ prima che riesca a scrivere il programma per il dimensionamento di un motore a vapore come chiedi tu.
I semplici simulatori che ho realizzato finora sono più didattici che utili ai fini pratici. Col tempo ne aggiungerò altri che permetteranno di capire moltissime cose anche senza doverle costruire.
Nel frattempo se hai dubbi sui termini chiedi pure senza problemi perché io ho il vizio di considerare scontate un sacco di cose.
I semplici simulatori che ho realizzato finora sono più didattici che utili ai fini pratici. Col tempo ne aggiungerò altri che permetteranno di capire moltissime cose anche senza doverle costruire.
Nel frattempo se hai dubbi sui termini chiedi pure senza problemi perché io ho il vizio di considerare scontate un sacco di cose.
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Ferrobattuto
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Re: Simulatori sui gas e sul vapore
O.K. Aspetterò pazientemente..... 
Buone realizzazioni a tutti!
Ferrobattuto
Ferrobattuto
Re: Simulatori sui gas e sul vapore
Ho pensato che forse potrebbe essere utile fornire qualche spiegazione in più sui vari simulatori.
Inizio con due parole di teoria e dal prossimo commento proporrò qualche esempio pratico.
Un gas è caratterizzato da una pressione, da una temperatura e dal volume che occupa. Ognuna di queste tre grandezze fisiche ha molteplici unità di misura e nei simulatori ho scelto di adottare quelle più comode e più significative.
Per la PRESSIONE il bar (simbolo bar), il Pascal (simbolo Pa), le atmosfere (simbolo atm) e le libbre per pollice quadrato (simbolo PSI). Il PSI è poco utilizzato in Italia (anche perché è scomodissimo), ma nei paesi anglosassoni è ancora molto in uso.
Per il VOLUME il metro cubo (simbolo m³), il decimetro cubo (simbolo dm³) e il centimetro cubo (simbolo cm³).
Per la TEMPERATURA il Kelvin (simbolo K), il grado centigrado o grado Celsius (simbolo °C) e il grado Fahrenheit (simbolo °F).
A queste tre grandezze se ne aggiunge una quarta meno conosciuta che è la quantità di gas. Quest’ultima si misura in moli, un termine che appartiene al mondo della chimica. Senza entrare nel dettaglio è come se la quantità di gas venisse misurata in numero di particelle.
Inizio con due parole di teoria e dal prossimo commento proporrò qualche esempio pratico.
Un gas è caratterizzato da una pressione, da una temperatura e dal volume che occupa. Ognuna di queste tre grandezze fisiche ha molteplici unità di misura e nei simulatori ho scelto di adottare quelle più comode e più significative.
Per la PRESSIONE il bar (simbolo bar), il Pascal (simbolo Pa), le atmosfere (simbolo atm) e le libbre per pollice quadrato (simbolo PSI). Il PSI è poco utilizzato in Italia (anche perché è scomodissimo), ma nei paesi anglosassoni è ancora molto in uso.
Per il VOLUME il metro cubo (simbolo m³), il decimetro cubo (simbolo dm³) e il centimetro cubo (simbolo cm³).
Per la TEMPERATURA il Kelvin (simbolo K), il grado centigrado o grado Celsius (simbolo °C) e il grado Fahrenheit (simbolo °F).
A queste tre grandezze se ne aggiunge una quarta meno conosciuta che è la quantità di gas. Quest’ultima si misura in moli, un termine che appartiene al mondo della chimica. Senza entrare nel dettaglio è come se la quantità di gas venisse misurata in numero di particelle.
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Simulatore delle trasformazioni isocore
Come promesso ecco alcune indicazioni per usare il simulatore delle trasformazioni isocore, cioè per i processi in cui il volume occupato dal gas resta invariato.
Questo strumento di calcolo serve per esempio per rispondere al quesito “A che temperatura bisogna riscaldare il gas in un contenitore a pareti rigide alla pressione di 10bar e alla temperatura di 300K (circa 27°C) per ottenere una pressione di 20bar?”
Seguendo queste istruzioni si individua rapidamente la risposta.
Per prima cosa si apre il simulatore che si trova a questo link http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isochoric-process.aspx
Nel simulatore sono presenti due tabelle che raccolgono i valori delle grandezze fisiche relative allo stato iniziale e allo stato finale.
Per la risoluzione del quesito conviene impostare come prima cosa i valori iniziali. Per farlo basta andare nella tabella che raccoglie le informazioni sullo stato iniziale e scrivere il numero 10 nella casella che riporta il valore della pressione in bar ovvero la seconda cella a partire da sinistra sulla riga della pressione (all’apertura del simulatore questa cella contiene un valore di default pari a 1).
Premere il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc e in pochi istanti la pagina si riaggiornerà automaticamente sul nuovo valore inserito.
La temperatura iniziale è già impostata sul valore di 300K, quindi non è necessaria alcuna modifica.
Ora va modificato il valore della pressione finale nella tabella relativa allo stato finale digitando il numero 20 nella casella che riporta il valore della pressione in bar (seconda cella a partire da sinistra sulla riga della pressione che dovrebbe già contenere il valore 2 che è il numero impostato di default).
Premere nuovamente il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc per fare aggiornare la pagina.
Nella riga sottostante verrà riportato il valore della temperatura a cui bisogna portare il gas per ottenere la variazione di pressione indicata (da 10bar a 20bar) che risulta essere pari a 600K (circa 326.85°C).
Si noti che sotto alle tabelle sono visualizzati i 3 grafici che rappresentano il processo nei piani pressione-volume, temperatura-volume e pressione-temperatura.
Questo strumento di calcolo serve per esempio per rispondere al quesito “A che temperatura bisogna riscaldare il gas in un contenitore a pareti rigide alla pressione di 10bar e alla temperatura di 300K (circa 27°C) per ottenere una pressione di 20bar?”
Seguendo queste istruzioni si individua rapidamente la risposta.
Per prima cosa si apre il simulatore che si trova a questo link http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isochoric-process.aspx
Nel simulatore sono presenti due tabelle che raccolgono i valori delle grandezze fisiche relative allo stato iniziale e allo stato finale.
Per la risoluzione del quesito conviene impostare come prima cosa i valori iniziali. Per farlo basta andare nella tabella che raccoglie le informazioni sullo stato iniziale e scrivere il numero 10 nella casella che riporta il valore della pressione in bar ovvero la seconda cella a partire da sinistra sulla riga della pressione (all’apertura del simulatore questa cella contiene un valore di default pari a 1).
Premere il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc e in pochi istanti la pagina si riaggiornerà automaticamente sul nuovo valore inserito.
La temperatura iniziale è già impostata sul valore di 300K, quindi non è necessaria alcuna modifica.
Ora va modificato il valore della pressione finale nella tabella relativa allo stato finale digitando il numero 20 nella casella che riporta il valore della pressione in bar (seconda cella a partire da sinistra sulla riga della pressione che dovrebbe già contenere il valore 2 che è il numero impostato di default).
Premere nuovamente il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc per fare aggiornare la pagina.
Nella riga sottostante verrà riportato il valore della temperatura a cui bisogna portare il gas per ottenere la variazione di pressione indicata (da 10bar a 20bar) che risulta essere pari a 600K (circa 326.85°C).
Si noti che sotto alle tabelle sono visualizzati i 3 grafici che rappresentano il processo nei piani pressione-volume, temperatura-volume e pressione-temperatura.
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Simulatore delle trasformazioni isocore
Il simulatore per le trasformazioni isocore visto al commento precedente (http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isochoric-process.aspx) permette di quantificare anche il calore scambiato durante il processo.
Per visualizzare questa informazione basta cliccare sul pulsante ‘Visualizza la versione estesa” e compariranno diverse altre parti che prima non erano visibili.
Si noti che per gli stati iniziale e finale compaiono le righe relative al volume (simbolo V) e alla quantità di gas (simbolo n). Il volume impostato per default è pari a 1m³, ma l’utente ha la facoltà di modificarlo a piacere inserendo il nuovo valore nella casella con l’unità di misura di interesse.
La tabella del bilancio energetico raccoglie tre informazioni:
1) il lavoro di volume che nel caso dei processi a volume costante è sempre nullo
2) il calore scambiato e per il processo isocoro su un volume di 1m³ di gas biatomico da 10 bar a 300K a 20bar il calore da fornire è pari a 2500kJ=694,4Wh=597514Cal
3) l’efficienza termica che è il rapporto fra i primi due valori e quindi nel caso dei processi isocori è sempre nulla
Nella tabella in alto è possibile scegliere il tipo di gas (monoatomico, biatomico e poliatomico). Vale la pena di provare a cambiare la selezione del tipo di gas per vedere come questo influenza la quantità di calore necessario per il processo isocoro.
Per visualizzare questa informazione basta cliccare sul pulsante ‘Visualizza la versione estesa” e compariranno diverse altre parti che prima non erano visibili.
Si noti che per gli stati iniziale e finale compaiono le righe relative al volume (simbolo V) e alla quantità di gas (simbolo n). Il volume impostato per default è pari a 1m³, ma l’utente ha la facoltà di modificarlo a piacere inserendo il nuovo valore nella casella con l’unità di misura di interesse.
La tabella del bilancio energetico raccoglie tre informazioni:
1) il lavoro di volume che nel caso dei processi a volume costante è sempre nullo
2) il calore scambiato e per il processo isocoro su un volume di 1m³ di gas biatomico da 10 bar a 300K a 20bar il calore da fornire è pari a 2500kJ=694,4Wh=597514Cal
3) l’efficienza termica che è il rapporto fra i primi due valori e quindi nel caso dei processi isocori è sempre nulla
Nella tabella in alto è possibile scegliere il tipo di gas (monoatomico, biatomico e poliatomico). Vale la pena di provare a cambiare la selezione del tipo di gas per vedere come questo influenza la quantità di calore necessario per il processo isocoro.
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Re: Simulatori sui gas e sul vapore
Esistono tre tipi di gas.
Nel GAS MONOATOMICO le particelle del gas sono costituite da un singolo atomo. Appartengono a questa categoria i gas nobili come l’elio, il neon e l’argon.
Nel GAS BIATOMICO le particelle di gas sono costituite da una coppia di atomi. Appartengono a questa categoria l’azoto, l’ossigeno e l’idrogeno, ma anche tanti altri meno noti.
Nel GAS POLIATOMICO le particelle di gas sono costituite da tre o più atomi. Appartengono a questa categoria l’anidride carbonica e il vapore acqueo surriscaldato.
Si noti che anche se sono stati indicati i nomi di gas reali, il simulatore usa le formule e le proprietà dei gas ideali. Quello dei gas ideali è un modello teorico che approssima il comportamento dei gas reali unificandolo e standardizzandolo per permettere di risolvere numericamente in modo relativamente semplice il problema fisico.
Nel GAS MONOATOMICO le particelle del gas sono costituite da un singolo atomo. Appartengono a questa categoria i gas nobili come l’elio, il neon e l’argon.
Nel GAS BIATOMICO le particelle di gas sono costituite da una coppia di atomi. Appartengono a questa categoria l’azoto, l’ossigeno e l’idrogeno, ma anche tanti altri meno noti.
Nel GAS POLIATOMICO le particelle di gas sono costituite da tre o più atomi. Appartengono a questa categoria l’anidride carbonica e il vapore acqueo surriscaldato.
Si noti che anche se sono stati indicati i nomi di gas reali, il simulatore usa le formule e le proprietà dei gas ideali. Quello dei gas ideali è un modello teorico che approssima il comportamento dei gas reali unificandolo e standardizzandolo per permettere di risolvere numericamente in modo relativamente semplice il problema fisico.
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Simulatore delle trasformazioni isoterme
Di seguito alcune indicazioni per usare il simulatore delle trasformazioni isoterme, cioè per i processi in cui la temperatura del gas resta costante.
Questo strumento di calcolo serve per esempio per rispondere al quesito “Partendo da 1dm³ di gas alla pressione di 3 bar quale sarà la pressione finale se raddoppio il suo volume in condizioni isoterme?”
Seguendo queste istruzioni si individua rapidamente la risposta.
Per prima cosa si apre il simulatore che si trova a questo link http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isothermal-process.aspx
Nel simulatore sono presenti due tabelle che raccolgono i valori delle grandezze fisiche relative allo stato iniziale e allo stato finale.
Si noti che la selezione della grandezza da calcolare è impostata per default sul volume finale, ma essendo in questo caso interessati a calcolare la pressione finale bisogna cliccare sul cerchietto a sinistra della lettera P nella tabella relativa allo stato finale per modificare l’impostazione. Dopo il click la pagina si riaggiorna con la selezione modificata.
Ora è il momento di impostare i valori iniziali. Per farlo basta andare nella tabella che raccoglie le informazioni sullo stato iniziale e scrivere il numero 3 nella casella che riporta il valore della pressione in bar ovvero la seconda cella a partire da sinistra sulla riga della pressione (all’apertura del simulatore questa cella contiene un valore di default pari a 2).
Premere il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc e in pochi istanti la pagina si riaggiornerà automaticamente sul nuovo valore inserito.
A questo punto bisogna impostare il volume iniziale digitando 1 nella casella che riporta il valore del volume in dm³ ovvero la seconda cella a partire da sinistra sulla riga del volume (all’apertura del simulatore questa cella contiene un valore di default pari a 1000).
Resta solo da modificare il valore del volume finale (nella tabella relativa allo stato finale) e per farlo basta digitare il numero 2 nella casella che riporta il valore del volume in dm³ (seconda cella a partire da sinistra sulla riga del volume che dovrebbe già contenere il valore 2000 che è il numero impostato di default).
Premere nuovamente il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc per fare aggiornare la pagina.
Nella riga subito sopra verrà riportato il valore della pressione finale (1,5bar) che si osserverà in un processo isotermico a seguito della variazione di volume indicata (da 1dm³ a 2dm³) quando la pressione iniziale vale 2bar.
Si noti che sotto alle tabelle sono visualizzati i 3 grafici che rappresentano il processo nei piani pressione-volume, temperatura-volume e pressione-temperatura.
Questo strumento di calcolo serve per esempio per rispondere al quesito “Partendo da 1dm³ di gas alla pressione di 3 bar quale sarà la pressione finale se raddoppio il suo volume in condizioni isoterme?”
Seguendo queste istruzioni si individua rapidamente la risposta.
Per prima cosa si apre il simulatore che si trova a questo link http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-isothermal-process.aspx
Nel simulatore sono presenti due tabelle che raccolgono i valori delle grandezze fisiche relative allo stato iniziale e allo stato finale.
Si noti che la selezione della grandezza da calcolare è impostata per default sul volume finale, ma essendo in questo caso interessati a calcolare la pressione finale bisogna cliccare sul cerchietto a sinistra della lettera P nella tabella relativa allo stato finale per modificare l’impostazione. Dopo il click la pagina si riaggiorna con la selezione modificata.
Ora è il momento di impostare i valori iniziali. Per farlo basta andare nella tabella che raccoglie le informazioni sullo stato iniziale e scrivere il numero 3 nella casella che riporta il valore della pressione in bar ovvero la seconda cella a partire da sinistra sulla riga della pressione (all’apertura del simulatore questa cella contiene un valore di default pari a 2).
Premere il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc e in pochi istanti la pagina si riaggiornerà automaticamente sul nuovo valore inserito.
A questo punto bisogna impostare il volume iniziale digitando 1 nella casella che riporta il valore del volume in dm³ ovvero la seconda cella a partire da sinistra sulla riga del volume (all’apertura del simulatore questa cella contiene un valore di default pari a 1000).
Resta solo da modificare il valore del volume finale (nella tabella relativa allo stato finale) e per farlo basta digitare il numero 2 nella casella che riporta il valore del volume in dm³ (seconda cella a partire da sinistra sulla riga del volume che dovrebbe già contenere il valore 2000 che è il numero impostato di default).
Premere nuovamente il tasto ‘Invio’ sulla tastiera del proprio pc per fare aggiornare la pagina.
Nella riga subito sopra verrà riportato il valore della pressione finale (1,5bar) che si osserverà in un processo isotermico a seguito della variazione di volume indicata (da 1dm³ a 2dm³) quando la pressione iniziale vale 2bar.
Si noti che sotto alle tabelle sono visualizzati i 3 grafici che rappresentano il processo nei piani pressione-volume, temperatura-volume e pressione-temperatura.
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Simulatore sul ciclo di Carnot
Al link http://www.scienzalaterale.com/section-virtual-lab-gas-Carnot-cycle.aspx è disponibile da oggi un nuovo simulatore che permette di capire, ma soprattutto di vedere, che cosa succede nel ciclo termodinamico di Carnot.
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