Il vapore d'acqua è la forma gassosa dell'acqua; esso è costituito dalle molecole di acqua che si sono vaporizzate a causa dell'aumento della temperatura. L'acqua diventa vapore acqueo quando viene portata alla temperatura di ebollizione, che è di 100°C a pressione atmosferica. La densità del vapore d'acqua dipende dalla temperatura e dalla pressione. A temperatura ambiente e a pressione atmosferica standard, la densità del vapore d'acqua è di circa $0,6 kg/m^3$.
La trasformazione da liquido a vapore avviene attraversando la fase intermedia liquido+vapore. Se l'acqua viene portata all'ebollizione Tf=Te.
Consideriamo una miscela di massa m. Esistono tre zone principali: liquido, liquido+vapore, vapore surriscaldato. Al di sotto della temperatura critica le sostanze diventano liquidi, mentre si parla di vapore surriscaldato sopra la curva del vapore.
Le linee orizzontali sono le isoterme nella regione liquido+vapore, mentre coincidono con le isoterme sotto la curva del vapore. Le isocore sono curve ascendenti con pendenza più accentuata delle isobare. Le isobare, nel tratto di vapore surriscaldato, diventano rette parallele all'asse dell'entropia s, e raggiungono la curva limite superiore, poi diventano curve ascendenti.
Il titolo x è definito come il rapporto tra la massa del vapor saturo secco e la massa totale del miscuglio liquido+vapore. Le curve a titolo costante, cioè isotitole, sono comprese tra 0 ed 1, tutte uscenti dal punto critico Pc.
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Con U energia interna e PV (pressione×volume) il lavoro scambiato, l'entalpia H è definita come H=0 a quella temperatura.
Ad esempio, a temperatura T=300°C alla pressione assoluta p=5bar si ha un valore di h=≅3060 kJ/kg. Invece, considerando vapore saturo ad una pressione assoluta di 5 bar con titolo x=0,85, si trova un valore di entalpia specifica h≅2440 kJ/kg.
Definizioni Utili
Nell’intervallo di tempo dt, il sistema scambia il lavoro elementare dL e il calore elementare dQ, comportando una variazione dell’energia interna dU, dellenergia cinetica dEc e dellenergia potenziale dEp. In termini matematici, questo si esprime come: dQ=dEc+dEp+dU+dL. In assenza di variazioni di energia cinetica e potenziale, l'equazione diventa dQ=dU+dL.
Il calore (positivo se assorbito, negativo se ceduto) è la quantità di energia che un sistema può scambiare con l’ambiente, assorbito o rilasciato nel corso della reazione. La variazione di entalpia del sistema è il calore di evaporazione. In funzione della temperatura, lentalpia è data dalla capacità termica a pressione costante.
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Aria Umida e Umidità Relativa
È importante distinguere tra concetti di aria secca e aria umida. L'aria umida è una miscela di aria secca e vapore acqueo. Quando la pressione parziale del vapore acqueo aumenta fino alla saturazione del vapore alla temperatura considerata, l’aria è satura.
L'umidità relativa è definita come il rapporto tra la pressione parziale di vapore a quella temperatura e la pressione di saturazione del vapore alla stessa temperatura. Questo rapporto è un numero compreso tra 0 e 1, che può essere espresso in forma percentuale tramite una moltiplicazione per cento. Quando l’aria è satura di vapor acqueo, cioè quando lumidità relativa è pari al 100%, si raggiunge il punto di rugiada, ovvero la temperatura alla quale il vapore d’acqua presente condensa.
Le proprietà dell’aria in varie situazioni a temperatura costante e pressione p=1 bar possono essere rappresentati graficamente, considerando le frazioni molari dei due componenti. Se l'aria secca viene trasformata in umida, il vapore acqueo presente può condensare se raggiunge la temperatura critica e può diventare liquido (rugiada, nebbia) o addirittura solido (brina).
Diagramma Psicrometrico
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Il diagramma psicrometrico, legato all'invenzione dello psicrometro o igrometro, permette di valutare le proprietà dell'aria. Lo psicrometro è composto da due termometri: uno a bulbo secco e uno a termometro avvolto da un tessuto umido. La differenza tra la temperatura del bulbo secco e quella del bulbo umido indica la quantità dacqua che condensa.
È possibile osservare il diagramma psicrometrico relativo al problema per determinare la temperatura del bulbo umido e del punto di rugiada in funzione della temperatura del bulbo secco. Lungo la curva di saturazione, la frazione di vapore d’acqua presente condensa, raggiungendo la condizione di aria secca (punto R).
Esempio Pratico
Consideriamo un sistema in cui una portata di aria M1=5000 kg/h viene riscaldata fino a raggiungere le condizioni richieste, partendo da una temperatura di 20°C e ad unumidità relativa del 52,5%. Una seconda portata M2=3000 kg/h alla temperatura t2=15°C si combina con la prima. Conoscendo x2=6 gV/kga e x4=8 gV/kga, è possibile determinare la portata di vapore e la quantità di condensato raccolto ad una temperatura di 8°C, tenendo conto che il sistema fornisce una potenza utile di 450 W.
Le portate m3 si determinano dalle due relazioni di bilancio di massa.