Fisica Tecnica - Teoria ed esercitazioni

FISICA TECNICA AMBIENTALE

Studia l’ambiente interno e chiuso sede di fenomeni ambientali:

• termofluidodinamici (movimento di fluidi scambi termici);
• l’uminosi (radiazione elettromagnetica che noi riusciamo a percepire);
• acustici (onde elastiche percepiti dal nostro udito);

L’ambiente interno è importante perché ci presenta l’occupante, che è un sistema termodinamico che interagisce con l’ambiente scambiando energia termica. Questa interazione è un fenomeno fisico + percettivo (indagini soggettive).

L’obiettivo è creare comfort: stato di benessere dell’occupante. Il comfort può essere termico, olfattivo, luminoso e acustico. Il comfort è legato anche allo stato di salute e alla produttività.

L’ambiente interno non è isolato ma legato a quello esterno e quindi ne è influenzato. Il sistema edilizio ha il compito di isolare/moderare. Il sistema impiantistico è il secondo sistema di interazione con l’esterno (condotti d’aria, etc.).

Le sollecitazioni sul sistema: interne (legate all’utilizzo dell’edificio) ed esterne (ad esempio climatica).

IL CONTROLLO FISICO TECNICO DELL’AMBIENTE COSTRUITO

L’obiettivo principale è il benessere ambientale (termico, olfattivo, luminoso, acustico), raggiungibile con adozione di tecnologie divise in passive (involucro) e attive (impiantistiche, richiedono energia; le passive no).

Le passive ad esempio sono le finestre.

Oltre al benessere emergono altre esigenze: sicurezza, economia di gestione, salvaguardia dell’ambiente, controllo impatto ambientale e uso delle risorse.

REQUISITI FISICO-TECNICI DELL’AMBIENTE COSTRUITO

Sono riferiti a:

sistema ambientale (lett. di luce...)

sistema edilizio (coeff. di trasmissione luminosa non deve superare: D );

sistema impiantistico rendimento della caldaia: —%.

I requisiti fisico-tecnici dipendono dall'utilizzo dell'edificio e le condizioni ambientali esterne e sono espressi come prescrizioni e limiti a parametri ad prestazioni.

I requisiti sono specificati da leggi e norme tecniche.

Termodinamica

Tratta le varie forme di energia, gli scambi di energia e di massa tra i sistemi, le trasformazioni di una forma all'altra di energia. L'effetto di queste trasformazioni su sistemi termodinamici.

sistema termodinamico: quantità di materiale che occupa una limitata porzione di spazio.

ambiente esterno: tutto ciò al di fuori del sistema termodinamico.

superficie di controllo: superficie che separa il sistema dall'ambiente esterno.

Un sistema termodinamico è sede di trasformazioni interne e esterne (scambio di massa/energia con l'esterno). Si distinguono:

• sistemi aperti: scambiano energia e massa con l'ambiente esterno;
• sistemi chiusi: scambio di energia ma non di massa;
• sistemi isolati: nessun tipo di scambio.

Lo scambio di energia può avvenire sotto forma di calore e lavoro.

Calore: scambio di energia indotto da differenza di temperatura. E > 0 se entranti.

Lavoro: scambio di energia per effetto di una forza che produce uno spostamento. E > 0 se uscenti.

Lo stato del sistema è caratterizzato da un numero limitato di proprietà termodinamiche dette variabili/funzioni di stato.

Variabili termodinamiche:

• estensive: dipendono dalla quantità di materia contenuta nel sistema (volume, massa);
• intensive: non dipendono dalla massa del sistema (pressione, temperatura).

1° Principio della termodinamica per sistemi chiusi (esperimento Joule)

La forza peso fa girare la ventelina che aumenta la temperatura del liquido. Raddoppiando peso raddoppia la temperatura. Esiste proporzionalità tra energia meccanica e termica in una trasformazione ciclica (calore = lavoro).

∫_1A^2BδQ ≠ ∫_2B^1AδQ = ∫_1A^2B(dSW) ≠ ∫_1A^2BδW

∫_1B^2CδQ ≠ ∫_2C^1BδQ = ∫_1B^2CδW + ∫_1B^2CδW

d∫_1A^2B(dSQ - dSW) = d∫_1C^2C(dSQ - dSW)

d(SQ - SW): dE (Differenziale esatto)

Q - W = ΔE

E corrisponde all’insieme di tutte le energie (E_K, E_P, E_i, l’energia interna).

La variazione dell’energia totale del sistema è pari al calore fornito al sistema meno il lavoro compiuto dal sistema sull’ ambiente.

ΔE_S = Q - W

ΔE_I = W - Q

Per una trasformazione finita: Q - W = ΔU

Per una trasf. ciclica: Q = W : ΔU = 0

Principio di conservazione della massa

In un sistema aperto si può applicare questo principio

Consideramo un fluido che scorre in un condotto all’istante t_o compreso tra i_1 e i_2 e le due sezioni hanno area differenti. Nell’istante successivo t₁ di d₁ si è spostato da i₁ a i₁ + di₁ e da i₂ a i₂ + di₂.

dQ₁ = velocità media

Macchine termiche che assorbono calore

• Wnetto < 0 comprime il sistema
• Q₂ ceduto al sistema, Q₁ ceduto dal sistema

ΔS_tot=ΔS_sist+ΔS_e=0→(Q₁/T₁)=(Q₂/T₂)

|Q₁| ≥ |Q₂| + |W|

Poché T₂ < T₁→ |Q₂| ≥ |Q₁| →Wnetto+|Q₂|-|Q₁| < 0

W_netto = T₂ ΔS_tot + |Q₁| (1 - T₂/T₁)

Il secondo principio della termodinamica può essere enunciato in due diversi modi tra loro equivalenti:

• Secondo il postulato di Clausius è impossibile costruire una macchina operante secondo un processo ciclico il cui unico effetto sia quello di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa a un corpo a temperatura più alta.
• Secondo l'enunciato di Kelvin-Planck è impossibile costruire una macchina operante secondo un processo ciclico il cui unico effetto sia quello di sottrarre calore ad una sorgente a T costante e trasformarlo integralmente in lavoro.

Ciclo diretto

Motore

η = (W_netto) / Q₁ = |Q₁| - |Q₂| / Q₁

η_max = 1 - T₂ / T₁

Ciclo inverso

Macchina Frigorifera

ε = Q₂ / W_netto |Q₁| - Q₂

ε_max = T₂ / T₁ - T₂

Pompa di calore

ε' = |Q₁| - |Q₁| / W_netto |Q₁| - Q₂

ε'_max = T₁/T₁- T₂

Rendimento

Effetto utile

Spesa

ΔS_o

W_{netto max} = Q₁ (1 - (T₂/ T₁))

- |Q₂| (T₂/ T₂)

W_{netto min} = |Q₁| (1 - T₂ / T₁)

= Q₂ (T₁/T₂) - 1)

Aria umida

La psicrometria tratta le proprietà dell'aria umida, miscela incomprimibile composta da aria secca e vapore acqueo.

Grandezze psicrometriche

• temperatura: t [°C]
• umidità specifica (o massica): i x [kgv/kga]
• umidità relativa: φ [%]
• entalpia specifica: h [kJ/Kga]

Umidità specifico

x = mv/ma [kgv/kga]

Dalla legge dei gas perfetti: pV = m R T

Per una miscela a più componenti si applica la legge di Dalton:

• La pressione totale della miscela è pari alla somma delle pressioni parziali dei gas componenti.
• Ciascun gas si comporta come se da solo occupasse tutto il volume occupato dalla miscela alla stessa T in pari alla sua p parziale.

• pa + pv = p con pv