Fisica tecnica ambientale

Indice

• I concetti fondamentali della termodinamica ....................................................4
• Le grandezze fisiche e le unitá di misura ...........................................................4
• I sistemi chiusi e i sistemi aperti ............................................................................5
• Le forme di energia .................................................................................................5
• Le proprietá di un sistema termodinamico .........................................................6
• Lo stato e l’equilibrio ............................................................................................6
• Le trasformazioni e i cicli termodinamici ..........................................................6
• La pressione .............................................................................................................7
• La temperatura e il principio zero della termodinamica ................................7
• Il primo principio della termodinamica: i sistemi chiusi .....................................9
• La trasmissione di calore ....................................................................................9
• Il lavoro .................................................................................................................9
• Le forme meccaniche del lavoro .....................................................................10
• Il primo principio della termodinamica ..........................................................10
• Calori specifici ....................................................................................................12
• Energia interna, entalpia e calori specifici dei gas perfetti .....................12
• Energia interna. Entalpia e calori specifici di solidi e liquidi ...................12
• Gli aspetti termodinamici dei sistemi biologici .............................................13
• Il secondo principio della termodinamica ..........................................................15
• I motori termici ...................................................................................................15
• L’enunciato di Kelvin-Planck .............................................................................17
• Macchine frigorifere e pompe di calore ........................................................17
• Enunciato di Clausius ........................................................................................19
• Le macchine a moto perpetuo ...........................................................................19
• Trasformazioni reversibili e irreversibili .........................................................19
• Il ciclo di Carnot ................................................................................................19
• I teoremi di Carnot .............................................................................................20
• La scala termodinamica di temperatura ........................................................20
• Il motore termico di Carnot ............................................................................20
• La macchina frigorifera e la pompa di calore di Carnot ............................22
• L’entropia ...................................................................................................................23
• La diseguaglianza di Clausius ..........................................................................23
• L’entropia .............................................................................................................23
• Il principio dell’aumento dell’entropia .........................................................25
• Il bilancio di entropia ........................................................................................25
• Le trasformazioni isoentropiche ....................................................................26
• Le proprietá delle sostanze pure .........................................................................27
• Le sostanze pure .................................................................................................27
• Le fasi di una sostanza pura .............................................................................27
• I cambiamenti di fase delle sostanze pure .....................................................27
• Diagrammi di stato per trasformazioni con cambiamento di fase ............28
• L’equazione di stato dei gas perfetti ..............................................................28
• Le miscele di gas-vapore .........................................................................................30
• Aria secca e aria atmosferica ..........................................................................30
• Umiditá assoluta e umiditá relativa .................................................................30
• La temperatura di rugiada ................................................................................31
• La temperatura di saturazione adiabatico e la temperatura di bulbo umido .......................................................................................................................31
• Il diagramma psicometrico ................................................................................32
• Il benessere termoigrometrico e il condizionamento dell’aria ..............32
• La conduzione in regime stazionario ...................................................................33
• La termodinamica e la trasmissione del calore ...........................................33
• Le modalitá di trasmissione del calore .........................................................34
• La conducibilitá termica ...................................................................................36
• I materiali isolanti ...........................................................................................36
• La resistenza termica specifica dei materiali isolanti ................................38
• La diffusivitá termica .........................................................................................38
• La conduzione in pareti piane multistrato ....................................................38
• La convenzione forzata .........................................................................................39
• Il fenomeno fisico della convenzione forzata ..............................................39
• Flusso laminare e turbolento ...........................................................................39
• Irraggiamento ...........................................................................................................41
• La radiazione termica ........................................................................................41
• La radiazione di corpo nero .............................................................................42
• Le proprietá radiattive .......................................................................................43
• Benessere termoigometrico ..................................................................................45
• Qualitá dell’aria ......................................................................................................50
• Contaminanti ........................................................................................................53
• Ventilazione .........................................................................................................53
• Valutazione aria sulla base sensioriale ........................................................54
• Benessere visivo .......................................................................................................57
• L’occhio .................................................................................................................57
• La visione ..............................................................................................................57
• Le grandezze fotometriche ...................................................................................58
• Flusso luminoso ..................................................................................................58
• Intensitá luminosa ..............................................................................................59
• Illuminamento ......................................................................................................59
• La luminanza ........................................................................................................59
• La radianza ...........................................................................................................59
• Apparecchi luminosi .................................................................................................60
• Illuminazione naturale ...........................................................................................61
• Abbagliamento .....................................................................................................63
• Il comfort visivo ......................................................................................................64
• Sorgenti luminose ..............................................................................................65

I concetti fondamentali della termodinamica

La termodinamica e l’energia

La termodinamica può essere definita come la scienza dell’energia, considerando energia la capacità di produrre cambiamenti. Il termine termodinamica richiama i primi tentativi di convertire il calore in lavoro meccanico.

Una delle leggi fondamentali della natura è il principio di conservazione dell’energia. Questo afferma che durante uno scambio energetico l’energia può trasformarsi da una forma in un’altra rimanendo, però, nel suo complesso costante. Ciò equivale a dire che “l’energia non può essere né creata né distrutta”.

Nella scienza della termodinamica troviamo 2 principi fondamentali:

1. Il primo principio della termodinamica
2. Il secondo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia è una proprietà termodinamica.

Il secondo principio della termodinamica afferma che l’energia ha qualità oltre che quantità e che i processi reali tendono a una riduzione della qualità dell’energia.

Le grandezze fisiche e le unitá di misura

Le grandezze fisiche possono essere classificate in categorie di grandezze tra loro confrontabili, grandezze che si possono confrontare si dicono omogenee.

Se una particolare grandezza appartenente a una di tali categoria è scelta come riferimento ed è denominata unità di misura allora ogni altra grandezza a essa omogenea può essere espressa in termini di questa unità, come prodotto delle unità di misura per un numero, che sarà il valore numerico della grandezza.

Le grandezze possono essere:

1. Fondamentali
2. Derivate

Le grandezze derivate vengono espresse mediante quelle fondamentali.

Nel corso degli anni si è giunti alla definizione di un unico sistema di unità di misura, il Sistema Internazionale (SI). Questo si fonda su potenze in base dieci per la definizione di multipli e sottomultipli.

Nel Sistema Internazionale troviamo 7 grandezze fondamentali con le rispettive unità di misura:

1. Lunghezza metro m
2. Massa kilogrammo kg
3. Tempo secondo s
4. Temperatura Kelvin k
5. Intensità di corrente Ampere A
6. Intensità luminosa candela cd
7. Quantità di materia mole mol

Da queste grandezze fondamentali derivano grandezze derivate come:

1. Forza Newton N= kg·m/s²
2. Lavoro Joule J=N·m

Tutte le equazioni sono dimensionalmente omogenee, vale a dire che tutti i loro termini devono avere la stessa unità di misura. Non è detto che un’equazione dimensionalmente omogenea sia corretta.

I sistemi chiusi e i sistemi aperti

Si definisce sistema termodinamico la quantità di materia o la regione di spazio che si prende in considerazione.

La massa o la regione al di fuori del sistema è detta ambiente mentre la superficie reale o immaginaria che separa il sistema dall’ambiente è detta contorno.

I sistemi possono essere chiusi, isolati o aperti a seconda che si scelga di considerare una fissata quantità di materia o un fissato volume.

Un sistema chiuso è costituito da una determinata quantità di materia ed è caratterizzato dal fatto che il suo contorno non permette il passaggio di materia.

Un sistema isolato è un sistema il cui contorno non permette il passaggio di materia ed energia. Anteriore

Un sistema aperto è una regione dello spazio delimitata da un contorno, la superficie di controllo, che almeno parzialmente permette il passaggio di materia ed energia.

Le forme di energia

L’energia di un sistema può esistere in numerose forme: energia termica, energia cinetica, energia potenziale, energia elettrica, energia magnetica, energia chimica ed energia nucleare.

La somma totale di queste forme di energia è detta energia totale e viene indicata con il simbolo E.

La termodinamica non fornisce nessuna informazione circa il valore assoluto dell’energia totale perché tratta esclusivamente le variazioni dell’energia totale.

Possiamo, quindi, assegnare valore nullo all’energia totale di un sistema in un conveniente stato di riferimento, poiché le variazioni dell’energia totale del sistema sono indipendenti dallo stato di riferimento scelto.

Nell’analisi termodinamica spesso è utile classificare le varie forme di energia che costituiscono l’energia totale di un sistema di due gruppi:

• Macroscopiche
• Microscopiche

Le forme macroscopiche dell’energia sono quelle che un sistema possiede nel suo complesso.

Le forme microscopiche dell’energia sono quelle legate alla struttura molecolare del sistema e al grado di attività molecolare. La somma di tutte le forme microscopiche dell’energia è detta energia interna del sistema ed è indicata con U.

L’energia che un sistema possiede per effetto del suo moto, riferito a un fissato sistema di riferimento, è detta Energia cinetica (E c). Se tutte le parti del sistema si muovono con la stessa velocità l’energia cinetica è espressa dalla relazione:

2mv=¿E c 2

L’energia che un sistema possiede per effetto della sua quota in un campo gravitazionale è detta Energia potenziale (E p) ed è espressa dalla relazione:

p=mgzE p

Trascurando gli effetti dovuti a fenomeni magnetici, elettrici e di tensione superficiale l’energia totale di un sistema è data dalla somma dell’energia cinetica, dell’energia potenza e dell’energia interna:

2mw+ +U= +mgz+UE=E Ec p 2

Le proprietá di un sistema termodinamico

Ogni caratteristica di un sistema termodinamico è chiamata proprietà.

Non tutte le proprietà sono indipendenti, poiché alcune di esse sono definite in funzione di altre. Esempi di proprietà sono pressione, temperatura, volume e massa.

Le proprietà dei sistemi possono essere classificate in:

1. Intensive
2. Estensive

Le proprietà intensive sono quelle che non dipendono dalle dimensioni del sistema. Es. temperatura, pressione, densità.

Le proprietà estensive sono quelle che dipendono dalle dimensioni del sistema. Es. massa, volume, energia totale. Le proprietà estensive riferite all’unità di massa vengono chiamate proprietà specifiche.

Lo stato e l’equilibrio

Se un sistema non è soggetto ad alcun cambiamento tutte le sue proprietà possono essere misurate o calcolate ovunque al suo interno, per cui si può ottenere un insieme di proprietà per descrivere completamente la condizione, o lo stato, del sistema stesso. Se il valore di anche una sola proprietà cambia, cambia anche lo stato del sistema.

La termodinamica tratta dei sistemi in stato di equilibrio. Il termine equilibrio indica uno stato di bilanciamento. In uno stato di equilibrio non ci sono potenziali non bilanciati all’interno del sistema.

Un sistema in stato di equilibrio non è soggetto ad alcun cambiamento quando è isolato dal suo ambiente.

Esistono diversi tipi di equilibrio:

• Un sistema è in equilibrio termodinamico se sono soddisfatte le condizioni di tutti i tipi di equilibrio, tra cui quelle di equilibrio termico, meccanico, di fase e chimico
• Un sistema è in equilibrio termico se la temperatura è la stessa in ogni punto del sistema
• Un sistema è in equilibrio meccanico se in nessun punto vi sono variazioni di pressione nel tempo
• Un sistema che comprende più fasi è in equilibrio di fase quando la massa di ciascuna fase raggiunge uno stato di equilibrio e vi permane
• Un sistema è in equilibrio chimico se la sua composizione chimica non varia nel tempo, cioè se non si verificano reazioni chimiche

Le trasformazioni e i cicli termodinamici

Ogni cambiamento che un sistema subisce passando da uno stato di equilibrio a un altro si chiama trasformazione e la serie di stati attraverso cui il sistema passa durante una trasformazione è detta linea della trasformazione. Per descrivere completamente una trasformazione se ne devono specificare gli stati iniziale e finale, come pure la linea seguita e le interazioni con l’ambiente.

Quando una trasformazione avviene in modo che il sistema rimanga infinitesimamente vicino al precedente stato di equilibrio essa è detta trasformazione quasi-statica o di quasi-equilibrio. Questa può essere vista come una trasformazione sufficientemente lenta tale da permettere al sistema di modificarsi internamente in modo che le proprietà in una parte del sistema non varino più velocemente di quelle nelle altre parti. Ciò non accade quando un gas, all’interno di un sistema cilindro-pistone, viene compresso rapidamente, le molecole vicine alla faccia del pistone non hanno sufficiente tempo per allontanarsi e finiscono per addensarsi in una pic