Fisica tecnica ambientale

Sistemi e grandezze termodinamiche

La termodinamica è la scienza che studia il trasferimento e le trasformazioni dell'energia, nonché le connesse variazioni delle proprietà fisiche dei sistemi. Si definisce "Sistema Termodinamico" una porzione di spazio o di materia separata dall'ambiente da una superficie di contorno attraverso cui interagisce con l'esterno o con altri sistemi mediante scambi di energia e/o di massa: un sistema chiuso è caratterizzato da una massa costante, mentre un sistema aperto ha massa variabile.

Lo stato rappresenta la totalità delle proprietà macroscopiche associate al sistema; un sistema all'equilibrio presenta un insieme di proprietà fissate che sono indipendenti dal tempo e che possono quindi venire misurate con precisione. Quando un sistema chiuso viene rimosso dall'equilibrio, esso subisce una trasformazione durante la quale le sue proprietà variano fino al raggiungimento di un nuovo stato di equilibrio. Le proprietà di un sistema sono le sue grandezze caratteristiche: quelle indipendenti dalla sua estensione sono dette intensive (come pressione, temperatura e conducibilità termica) mentre quelle dipendenti sono dette estensive (come massa, volume, energia, entropia).

Trasformazioni isobare (press c), isocore (volume c), isoterme (temp c), adiabatiche (senza scambi di energia con esterno). Equazione di stato dei gas perfetti: PV= nRT dove R è una costante e n sono le moli.

Il primo principio, entalpia ed energia interna

La termodinamica: la scienza che si occupa di come il calore possa trasformarsi in lavoro, ovvero di come l'energia possa essere trasferita. Le molecole si muovono incessantemente (questo è dimostrabile, ad esempio, osservando il moto browniano), esse possiedono energia cinetica Ec (dovuta al movimento) ed energia potenziale Ep dovuta alla interazione tra le molecole. La somma di tutte le energie cinetiche e potenziali si chiama energia interna U.

Nel modello del gas perfetto, l'energia potenziale è molto piccola rispetto a quella cinetica: l'energia interna è uguale alla somma delle energie cinetiche delle varie molecole: U = somma Ec. Il primo principio della termodinamica di R. Clausius afferma che l'energia interna di un sistema termodinamico isolato è costante: l'energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma a un'altra: l'energia può cioè essere trasferita attraverso scambi di calore e di lavoro. ΔU= Q – W.

L'entalpia posseduta da un sistema termodinamico (H) è una funzione di stato definita come la somma dell'energia interna U e del prodotto della pressione P per il volume V. (H = U + PV). L'entalpia può essere espressa in joule (nel Sistema internazionale) oppure in calorie, ed esprime la quantità di energia interna che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente.

Il secondo principio, entropia e reversibilità

Il secondo principio della termodinamica spiega perché molti eventi termodinamici, come ad esempio il passaggio di calore da un corpo caldo a un corpo freddo, sono irreversibili. Il secondo principio asserisce che l'entropia di un sistema isolato lontano dall'equilibrio termico tende ad aumentare nel tempo, finché l'equilibrio non è raggiunto. L'entropia è una grandezza che viene interpretata come una misura del disordine presente in un sistema fisico. Viene generalmente rappresentata dalla lettera S e si misura in J/K (ΔS= Q/Temperatura).

Si può dire che quando un sistema passa da uno stato di equilibrio ordinato a uno disordinato la sua entropia aumenta; questo fatto fornisce indicazioni sulla direzione in cui evolve spontaneamente un sistema. In termodinamica una trasformazione reversibile di un sistema termodinamico è una trasformazione che può essere invertita riportando il sistema e l'ambiente nelle condizioni iniziali senza che ciò comporti alcun cambiamento nel sistema stesso e nell'universo, ovvero la cui produzione di entropia è nulla.

Si può quindi dire che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l'apporto di lavoro esterno (enunciato di Clausius) e che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di convertire in lavoro tutto il calore assorbito da una sola sorgente (enunciato di Kelvin).

Il ciclo di Carnot

Un ciclo termodinamico è una successione finita di trasformazioni termodinamiche al termine delle quali il sistema torna al suo stato iniziale. Il ciclo di Carnot ha lo scopo di trasformare del calore in lavoro, ed è costituito da 4 trasformazioni reversibili: 2 isoterme e 2 adiabatiche.

• Espansione isoterma: il gas preleva la quantità di calore Q1 dalla sorgente più calda T1 e questo provoca l'aumento di volume del gas e la diminuzione della pressione. La tendenza della temperatura del gas ad abbassarsi viene però contrastata dall'effetto del riscaldatore (sorgente termica). Ne risulta che essa rimane costante.
• Espansione adiabatica: quando il gas finisce di prelevare energia termica, esso viene mantenuto in modo che non scambi energia con l'esterno tramite un'adiabatica, pur continuando ad espandersi: ne consegue un abbassamento della temperatura.
• Compressione isoterma: il gas viene compresso mantenendo costante la temperatura e il calore generato dal lavoro compiuto in questa fase viene rimosso dal contatto con la sorgente a temperatura più bassa T2. Viene ceduta dal gas alla sorgente la quantità di calore Q2.
• Compressione adiabatica: quando il gas finisce di cedere calore al refrigeratore, esso continua a comprimersi ma viene mantenuto in modo che non scambi energia con l'esterno.

Il risultato di questo ciclo è dimostrare che, avendo a disposizione una macchina di Carnot ideale, un gas perfetto e due sorgenti a differenti temperature, è possibile ottenere lavoro riportando il sistema nelle condizioni iniziali. Il suo rendimento non dipende dal fluido impiegato nel ciclo, ma dal rapporto delle temperature delle sorgenti con le quali scambia il calore. Nessuna macchina termica che sfrutti il ciclo di Carnot è però in grado di trasformare completamente calore in lavoro, in quanto, come enunciato dal 2 principio, è impossibile realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.

Conduzione termica in una parete piana monostrato e multistrato; postulato di Fourier

La conduzione è la branca della termodinamica che studia la trasmissione di calore attraverso corpi solidi. Fourier scoprì che la quantità di calore trasmessa dalla faccia a temperatura maggiore a quella a temperatura minore di una parete isolata, omogenea e di un materiale isotropo è direttamente proporzionale a una costante lambda, all'area interessata dal flusso termico A e alla differenza di temperatura delle due facce Delta T, mentre è inversamente proporzionale allo spessore della parete s. Quindi la potenza termica q = λ A ΔT/s.

La legge di Fourier enuncia in particolare che q= -λ gradT, dove gradT è ΔT fratto lo spessore, e il coefficiente lambda è la conducibilità termica, che esprime l'attitudine di un materiale a condurre calore e dipende dal rapporto tra lo spessore e la resistenza di ogni materiale. Alla conducibilità è legata anche la resistenza termica (s/λ). Essa ci è utile nel calcolo del flusso termico attraverso una parete multistrato: q/A= ΔT/Rtot. Se la parete in questione presenta materiali non omogenei, allora q/A= ΔT Ceq. Dove Ceq è la conduttanza equivalente (1/Req).

Essendo l'obiettivo del risparmio energetico quello di minimizzare la dispersione di calore, è necessario che gli elementi costituenti l'involucro edilizio abbiano un basso valore di trasmittanza termica, così da ridurre la quantità di calore disperso.

Trasmittanza per pareti vetrate

Kl se il vetro è singolo è =0 quindi trascurabile, altrimenti si ricava dalle tabelle.

Profilo di temperatura e la verifica di Glaser

Se all'interno della parete la pressione di saturazione si abbassa in qualche punto sino a raggiungere il valore della pressione di vapore, si forma condensazione interstiziale > effetti indesiderati ed inibizione dei materiali. Il diagramma di Glaser è un metodo grafico che permette lo studio del fenomeno della condensa all'interno di una parete costituita da uno o più strati. Esso prende in esame le pressioni parziali del vapore acqueo sulle superfici interne ed esterne e le resistenze al vapore. La formazione della condensa in uno strato può essere quindi facilmente dedotta grazie al diagramma di Glaser quando il valore di pressione parziale risulta maggiore di quello della pressione di saturazione. Per i materiali interessati dalla possibile formazione di condensa esistono dei valori di condensa massima amm.