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Cicli Entropici, Moto Perpetuo di Seconda Specie
MACCHINE TERMICHE A VAPORE
CON RENDIMENTO UNITARIO
Sintesi del Terzo Brevetto (fig.3,5,7)
QUALCOSA IN ANTEPRIMA
Come più volte abbiamo detto, tutti i Cicli ENTROPICI (O→P→3→4→5→O),(fig.3,5,7) possono considerarsi varianti del Ciclo RANKINE (6→1→2→3→4→5→6), (fig.3), ottenuti spostando a destra il primo lato (OP) nell’Intervallo (0 < x ≤1 ), dalla Isotitolo sinistra (x=0) a quella destra (x=1). In tal modo si elimina la condensazione e il RENDIMENTO diventa UNITARIO.
Come nel Ciclo RANKINE, anche i primi Cicli ENTROPICI nell’Intervallo (0<x≤x5) trasformano in LAVORO parte del CALORE fornito ma eliminano la differenza, cioè il CALORE di CONDENSAZIONE, che DIMINUISCE fino ad annullarsi nello stesso Intervallo (0<x≤x5) con conseguente AUMENTO del RENDIMENTO, diventando UNITARIO nel successivo intervallo (x5≤x≤1) dove il MISCUGLIO si riscalda trasformandosi in VAPORE (x=1).
Nelle CENTRALI TERMICHE conviene quindi sostituire il Ciclo RANKINE con qualcuno dei Cicli ENTROPICI con RENDIMENTO UNITARIO nell’Intervallo (x5≤x≤1), magari seguitando a utilizzare ACQUA (H2O) riscaldata con i soliti Combustibili (Tav. 1), oppure impiegando qualcuno dei FLUIDI adoperati negli attuali IMPIANTI FRIGORIFERI (Ammoniaca, Anidrite Carbonica, Freon e altri) in grado di utilizzare gran parte del CALORE dall’AMBIENTE CIRCOSTANTE (Tavole 2,3,4).
Tutto questo a titolo PROVVISORIO, almeno finché (in alternativa) non si riesca a inventare nuovi FLUIDI FRIGORIFERI più convenienti, con TEMPERATURE di Congelamento molto BASSE, tali da ottenere in ogni luogo LAVORO soltanto a spese di un’UNICA SORGENTE come l’AMBIENTE CIRCOSTANTE, che significa MOTO PERPETUO di SECONDA SPECIE.
INTRODUZIONE
Nel Piano Entropico W(T,S) il MISCUGLIO (M) di un LIQUIDO (M’) col suo VAPORE (M”) di TITOLO x=(M”/M) si trova (fig.1) nella ZONA (ACBA), confinante con la ZONA (L) del LIQUIDO situata a sinistra di (AC) e con la ZONA (V) del VAPORE Surriscaldato situata a destra di (CB), separate in alto dalla ISOTERMA Inferiore (dT=0) del GAS (Reale, Ideale) tangente nel PUNTO CRITICO (C) di (ACBA), trascurando il sottostante MISCUGLIO Solido-Vapore, poco interessante.
Come ogni FLUIDO anche lo STATO FISICO del MISCUGLIO dipende (Gibbs) da 2 VARIABILI, come conferma la seguente Equazione Differenziale di CLAPEYRON, che lega le tre GRANDEZZE (Pressione, Temperatura, Titolo)(p,T,x) con EQUAZIONI del tipo φ(p,T,x)=0, tenuto conto delle tre FUNZIONI di STATO: (Calore di Trasformazione) r=r(T,x), (volume specifico del Vapore) v”=v”(T,x) e (volume specifico del Liquido) v’=v’(T,x).
φ(p,T,x)=0
Essa definisce le Trasformazioni ISOTERMO-ISOBARICHE (dT=0)⇔(dp=0), dove a ogni Trasformazione ISOTERMICA (dT=0) della Temperatura corrisponde una Trasformazione ISOBARICHA (dp=0) della Pressione e viceversa, un vincolo che sussiste per qualsiasi valore delle altre GRANDEZZE (Volume,Titolo, Entalpia, Entropia, ecc.), che possono ignorarsi.
In questi casi (dT=0)⇔(dp=0) lo STATO FISICO del MISCUGLIO (M=M'+M”) assume un Equilibrio Termodinamico chiamato VAPORE SATURO, che nel Piano Entropico Ω(T,S) sussiste lungo ogni linea orizzontale della ZONA (ACBA), dove l’aggiunta o la sottrazione di CALORE produce EVAPORAZIONE (dx>0) o CONDENSAZIONE (dx<0) in tutta la MASSA del MISCUGLIO creando il fenomeno fisico chiamato EBOLLIZIONE, con la conseguente variazione del Titolo (x=M”/M) nell’Intervallo (0≤x≤1).
Peraltro tutte le TRASFORMAZIONI φ(p,T,xO)=0 a TITOLO Costante (x0), senza aggiunte o sottrazioni di MISCUGLIO, si svolgono necessariamente lungo le Curve IsoTitolo (dx=0) di (ACBA), dove ad ogni Incremento ISOTERMICO (dT=0) di PRESSIONE (Δp>0) può aggiungersi il corrispondente Incremento IsoBaro (dp=0) di TEMPERATURA (ΔT>0) o viceversa, situati fra due IsoTermoBariche (dT=0),(dp=0) del VAPORE.
Questi Incrementi, (dT=0),(Δp>0) o (dp=0),(ΔT>0), avvengono quando la CONDENSAZIONE (o l’Evaporazione) del Miscuglio si ARRESTA in un PUNTO qualsiasi dell’Intervallo (0≤x≤1), sulle orizzontali del VAPORE SATURO, e confermano l’ipotesi che il PRIMO Lato del Ciclo RANKINE non appartiene alla Zona LIQUIDA ma si svolge effettivamente sulla PRIMA Isotitolo (x=0) di (ACBA).
Tutto questo accade anche nei PRIMI Lati dei particolari Cicli Termici che abbiamo chiamato CICLI ENTALPICI e Cicli ENTROPICI, considerati VARIANTI del Ciclo RANKINE.
In questa Pagina ci occupiamo soltanto dei Cicli ENTROPICI (O→P→3→4→5→O) (fig.3,5,7) ottenuti dal Ciclo RANKINE spostando da sinistra (x=0) a destra (x=1) il suo PRIMO Lato (OP), dove (stranamente) il LAVORO Isoentropico (4,5),(dS=0) della TURBINA e l’equivalente CALORE SPESO non sono rappresentati (come di consueto) dalle AREE RACCHIUSE.
In effetti occorre tener conto del suddetto Incremento ISOBARICO (dp=0) di TEMPERATURA (ΔT>0) lungo la ISOTITOLO (dx=0) del PRIMO Lato (OP), comprese le poche Kcal/Kg per riscaldare il LIQUIDO del Ciclo RANKINE.
L'Incremento TERMICO (ΔT>0) varia nell’Intervallo (0≤x≤1), che dal quel MINIMO iniziale (x=0) raggiunge il valore del LAVORO Speso (dS=0) sulla ISOTITOLO (x= x5) dove finisce la CONDENSAZIONE e inizia il Riscaldamento del MISCUGLIO.
In questi casi le Trasformazioni dei Cicli ENTROPICI (O→P→3→4→5→O) (fig.3,5,7) sono simili a quelle del Ciclo RANKINE impiegando H2O o qualsiasi altro FLUIDO TERMODINAMICO.
In particolare sulla IsoTitolo (x=0) del PRIMO Lato (OP) inizia la Comptessione IsoTermica (Δp>0),(dT=0) nel Punto iniziale (O) e prosegue col Riscaldamento IsoBaro (ΔT>0),(dp=0).
Peraltro il RENDIMENTO cresce nell’Intervallo (0<x≤x5) e diventa UNITARIO ∀(x5≤x≤1), trasformando in LAVORO tutto il CALORE FORNITO da un’UNICA SORGENTE, che potrebbe essere l’AMBIENTE ESTERNO.
In questi casi conviene impiegare un FLUIDO a Basso Congelamento, come Ammoniaca, Anidrite Carbonica, Freon e altri, ricordando (Joule) la grande Conversione fra CALORE e LAVORO:
E’ opportuno precisare che per costruire i seguenti CICLI ENTROPICIi abbiamo adottato alcuni dei FLUIDI TERMODINAMICI impiegati negli attuali IMPIANTI FRIGORIFERI, di cui si conoscono le principali PROPRIETA'.
Pur non avendo una TEMPERATURA di CONGELAMENTO abbastanza BASSA da impedire aggiunte di CALORE a quell'UNICA SORGENTE TERMICA, essi si rendono NECESSARI per ottenere un RENDIMENTO UNITARIO.
In alternativa si spera quindi di trovare un nuovo FLUIDO FRIGORIFERO con PUNTO CRITICO a TEMPERATURA non molto diversa delle più RIGIDE AMBIENTALI, affinché quell’UNICA SORGENTE TERMICA sia SUFFICIENTE (da sola) a garantire in QUALSIASI LUOGO lo svolgimento dei CICLI ENTROPICI senza AGGIUNTE di ALTRO CALORE.
DESCRIZIONE
Nel Campo (ACBA),(fig.3), lo STATO FISICO del MISCUGLIO M=(M'+M'') di TITOLO x=M''/M, formato da un LIQUIDO (M') col suo VAPORE (M''), può essere definito dal Differenziale di CLAPEYRON, che dipende dalla TERNA (Pressione, Temperatura, Titolo) e si Risolve con INTEGRALI del Tipo seguente, includendo il VAPORE SATURO creato durante le EBOLLIZIONI sulle IsoTermoBariche (dT=0),(dp=0) nell’Intervallo (0≤x≤1)∈(ACBA):
φ(p,T,x)=0 ⇔ p=f(T,x)
Peraltro, le TRASFORMAZIONI p=f(T,xO) a TITOLO Costante (dx=0) si svolgono sulle ISOTITOLO (FC),(dx=0) comprese fra le due CURVE Limiti (AC),(BC) di (ACBA), dove qualsiasi Incremento ISOTERMO di PRESSIONE (dT=0),(Δp>0) richiede un corrispondente Incremento ISOBARO di TEMPERATURA (dp=0),(ΔT>0), o viceversa.
In effetti, sulla Curva Limite (AC),(x=0) si trovano i PRIMI Lati (1-2),(dp=0),(ΔT>0) dei Cicli ENTALPICI, mentre le altre ISOTITOLO (FC),(dx=0) determinano una successione di nuovi Cicli TERMICI (O→P→3→4→5→O) ottenuti spostando a destra il PRIMO Lato (OP),(dp=0),(ΔT>0) fra le 2 Curve Limiti (AC),(BC), sulle orizzontali di (ACBA), dove (stranamente) lo stesso LAVORO MECCANICO (4-5) della TURBINA non può rappresentare le AREE Racchiuse (δQ≠TdS), a causa del CALORE LATENTE (5-O) che ∀(xO≥x5) si INVERTE nell’Intervallo (x5≤x≤1).
Questo dipende dal fatto che il VAPORE SATURO viene COMPRESSO nel PUNTO Iniziale (O) e poi RISCALDATO sulla ISOTITOLO (FC),(dx=0) del Primo LATO (OP),(dp=0),(ΔT>0).
La novità (inattesa e imbarazzante) consiste nel fatto che soltanto l’Area racchiusa dal Ciclo RANKINE equivale al corrispondente CALORE SPESO, ma non nei CICLI successivi, ai quali occorre necessariamente aggiungere il CALORE necessario per RISCALDARE la Isotitolo (dx=0) del PRIMO Lato. Questo accade anche nel CICLO RANKINE dove però il riscaldamento del LIQUIDO può considerarsi TRASCURABILE.
Inoltre, spostando a destra il Primo Lato del Ciclo RANKINE, il CALORE Latente di Condensazione DIMINUISCE fino all’incontro con l’ISENTROPICA (dS=0), dove si ANNULLA per poi AUMENTARE nel verso opposto, quando il riscaldamento Isotitolo (dx=0) del PRIMO Lato (OP) SUPERA il LAVORO IsoenTropico (dS=δQ/T=0) della TURBINA, mentre la differenza viene CEDUTA durante la successsiva EVAPORAZIONE.
La DISCORDANZA δQ≠TdS è implicita nel CONCETTO di ENTROPIA, un insolito DIFFERENZIALE dS=δQ/T LEGATO dal Fattore INTEGRANTE 1/T al generico SCAMBIO TERMICO Q=∫γ(δQ)≠∫(TdS), quando le ISOENTROPICHE (dS=0) risultano DIFFERENTI dalle ADIABATICHE (δQ=0) e quindi, almeno ∀(δQ≠TdS), l’ENTROPIA di CLAUSIUS dS=δQ/T non può rappresentare l’UNICA (ipotetica) ESPRESSIONE MATEMATICA del SECONDO PRINCIPIO della TERMODINAMICA.
Fanno ECCEZIONE le Particolari TRASFORMAZIONI dove ANCHE lo SCAMBIO-TERMICO Q=∫γ(δQ) diventa un DIFFERENZIALE δQ=TdS, INVERTIBILE (δQ=TdS)⇔(dS=δQ/T) con l’ENTROPIA dS=δQ/T, come ACCADE nelle IsoCore (dV=0) e/o nelle IsoBare (dp=0) dei Cicli ENTALPICI, dove lo scambio di CALORE (δQ) equivale alla ENERGIA INTERNA (δQ)V=(dU)V, alla ENTALPIA (δQ)p=(dH)p e nei GENERATORI di VAPORE (dV=0),(dp=0).
Nascono così i Cicli ENTROPICI (O→P→3→4→5→O) dove il RENDIMENTO cresce ∀(x>0), diventando UNITARIO ∀(x≥x5), da (5→M→3→4→5),(fig.5) a (N→3→4→5→N),(fig.7).
Questi particolari CICLI TERMICI (fig.5,7), PRIVI di CONDENSAZIONE, acquistano notevole IMPORTANZA con l’impiego di FLUIDI Frigoriferi a BASSO CONGELAMENTO (es. i FREON), che nelle CONDIZIONI ottimali rispetto alla TEMPERATURA AMBIENTE consentono SCAMBI ENERGETICI (δQ,δL) completamente GRATUITI, quando tutto il CALORE si trasforma in LAVORO ottenendo l’Utopico MOTO PERPETUO di SECONDA SPECIE.
Insomma l’ENTROPIA dS=δQ/T non può esprimere il SECONDO PRINCIPIO della TERMODINAMICA, nemmeno nelle sudette CONDIZIONI di INVERTIBILITA’ (dS=δQ/T)⇔(δQ=TdS), tenuto conto (come faremo) che il CICLO di CARNOT Invertibile non può CONFONDERSI con la MACCHINA TERMICA che lo GESTISCE.
Tutti i CICLI ENTROPICI (O→P→3→4→5→O),(0<x≤1),(fig.3,5,7) si ottengono spostando a destra (0<x≤1) il PRIMO lato (OP) del CICLO HIRN, con le stesse FASI (O→P→3→4→5→O) nel Piano Entropico Ω(T,S), dopo avere scelto i più convenienti FLUIDI a BASSA Temperatura di CONGELAMENTO (Freon, Ammoniaca, Anidride Carbonica, ecc.) e fissate le 2 IsoTermoBariche estreme (dT=0),(dp=0), compatibili con la SORGENTE TERMICA Esterna e l’ESPANSIONE Isoentropica (dS=0) della TURBINA.
CICLI ENTROPICI (O→P→3→4→5→O)