Temi d'esame svolti - Fisica dell'edificio

Fisica dell'edificio

Corso di studi ingegneria dell'edilizia

Docenti: Lorenzo Pagliano, Adriana Angelotti, Salvatore Carlucci

Raccolta temi d'esame

A.A. 2012/13, 2013/14, 2014/15, 2015/16, 2016/17, 2017/2018

Tema d'esame 30/1/2013

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Cognome.............................. Nome................................ Matricola..............................................

Esercizio 1

Un gas perfetto monoatomico subisce un’espansione isoterma quasi-statica alla temperatura T = 280 K nella quale triplica il proprio volume. Sapendo che la variazione di ΔSentropia è = 5 cal/K, dopo aver tracciato la trasformazione nel piano (p, V), determinare:

• Il numero di moli N;
• L’energia interna, a meno della costante di integrazione;
• Il calore assorbito nella trasformazione.

Dati: R = 8,314 J/(mol.K); 1 cal = 4,186 J.

Esercizio 2

Un’aria umida a 18°C e al 40% di umidità relativa viene umidificata fino alla saturazione con iniezione di acqua liquida e quindi entra in una batteria di riscaldamento con potenza termica di 80 kW. Avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato, e tracciando su di esso le trasformazioni, determinare:

• L’entalpia dell’aria umida nello stato iniziale;
• La portata di acqua liquida necessaria nel processo di umidificazione;
• La temperatura in uscita dalla batteria di riscaldamento.

Esercizio 3

Una parete costituita da due strati di mattoni forati (s = 12 cm, λ = 0,7 W/(m.K)) con un’intercapedine d’aria (s = 5 cm; R = 0,16 m².K/W) separa l’ambiente interno a T = 20°C dall’ambiente esterno a T = 0°C. Sulla parete incide radiazione solare con un’irradianza G incognita. La temperatura della superficie interna della parete è pari a 19°C, i coefficienti globali di scambio interno ed esterno sono h₁ = 8 W/(m².K) e h₂ = 25 W/(m².K), il coefficiente di assorbimento solare della superficie esterna è α = 0,6. Determinare:

• L’irradianza solare incidente;
• La densità di flusso termico che attraversa la superficie esterna della parete, con il relativo verso;
• La conducibilità termica dell’isolante da introdurre nell’intercapedine, riempiendola completamente, per ridurre del 50% la trasmittanza termica.

Tema d'esame 15/2/2013

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Due portate di aria umida vengono miscelate dando luogo ad un’aria umida nello stato 3. La miscela viene quindi riscaldata fino alla temperatura t = 30°C. Avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato, e tracciando su di esso le trasformazioni, determinare:

• L’umidità assoluta ed entalpia specifica di ciascuna delle due portate di partenza;
• L’umidità relativa della miscela nello stato 3;
• La potenza termica fornita alla miscela.

Esercizio 2

La copertura piana di un edificio ha una temperatura superficiale esterna pari a 3,5°C, un’emissività pari a 0,9 ed una conduttanza pari a 4 W/(m².K). Il cielo notturno è assimilabile ad un corpo nero con temperatura pari a -3 °C. L’aria esterna si trova alla temperatura di 22°C ed il coefficiente di scambio convettivo esterno sulla copertura vale 15 W/(m².K). Il coefficiente globale di scambio interno vale 8 W/(m².K). Calcolare:

• La densità di flusso termico disperso dalla copertura;
• La temperatura operante dell’ambiente interno sottostante la copertura;
• La lunghezza d’onda del massimo di emissione termica della superficie esterna della copertura.

Dati: σ = 5,67×10⁻⁸ W/(m²K⁴); c = 2898 μm.K (Wien).

Esercizio 3

Una sorgente luminosa di potenza elettrica 250 W ed efficienza luminosa pari a 52 lm/W è inserita in un apparecchio luminoso con una curva fotometrica, dotata di simmetria rotazionale, di equazione: Φ. Si richiede di:

• Calcolare il flusso luminoso emesso dalla sorgente;
• Tracciare la curva fotometrica dell’apparecchio;
• Determinare il flusso luminoso uscente dall’apparecchio.

Tema d'esame 1/7/2013

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Una massa pari a 15 Kg di ossigeno compie il ciclo termodinamico motore rappresentato nel piano (p, V). Sapendo che la temperatura negli stati 1 e 3 è rispettivamente di 700 K e 450 K, determinare:

• Il volume nel punto 1;
• Il lavoro netto prodotto nel ciclo;
• La variazione di energia interna lungo la trasformazione 2-3.

Dati: M (O₂) = 32 g/mole, R = 8,314 J/(mole.K).

Esercizio 2

Una portata di aria umida nelle condizioni 1 (t = 32°C, UR = 70%) entra in una batteria di raffreddamento da cui fuoriesce alla temperatura t₂ = 18°C, e viene quindi post-riscaldata in una batteria che fornisce una potenza termica pari a 3 kW. Determinare, avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato e tracciando su di esso le trasformazioni:

• La temperatura di rugiada dell’aria nelle condizioni 1;
• Se si formi condensa nel processo 1,2 e nel caso quanto valga la portata di condensato;
• La temperatura dell’aria in uscita dalla batteria di post-riscaldamento.

Esercizio 3

Una parete che separa un ambiente interno con temperatura operante T = 20°C da uno esterno con T = 4°C è composta di una parte opaca, di superficie 10 m², e di una finestra, di superficie 2,5 m² e con trasmittanza termica globale U = 2,7 W/(m²K). La stratigrafia della parte opaca consiste di 5 strati: gli strati 1 e 5 hanno spessore s₁ = s₅ = 2 cm e conducibilità termica λ₁ = λ₅ = 0,8 W/(mK), gli strati 2 e 4 hanno spessore s₂ = s₄ = 12 cm e conducibilità termica λ₂ = λ₄ = 0,14 W/(mK), lo strato 3 è rappresentato da un’intercapedine d’aria con resistenza R₃ = 0,16 m²K/W. I coefficienti globali di scambio interno ed esterno valgono rispettivamente hᵢ = 8 W/(m²K) e hₑ = 25 W/(m²K). Determinare:

• La trasmittanza termica della stratigrafia opaca;
• Il profilo di temperatura nella stratigrafia opaca;
• La potenza termica dispersa dall’intera parete, trascurando eventuali ponti termici tra parte opaca e trasparente.

Tema d'esame 15/7/2013

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Ad una portata di aria umida nelle condizioni 1 (t = 20°C, UR = 50%) viene fornita una potenza termica di 2,9 kW. La portata viene successivamente umidificata con acqua liquida fino a raggiungere la temperatura di 25°C. Determinare, avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato e tracciando su di esso le trasformazioni:

• L’umidità assoluta nelle condizioni 1;
• La temperatura in uscita dalla batteria calda;
• La portata d’acqua liquida evaporata nel processo di umidificazione.

Esercizio 2

Un vetrocamera di altezza H = 60 cm è composto da due lastre uguali di vetro semplice (λ = 0,9 W/(mK), s = 6 mm, ε = 0,85) separate da un’intercapedine d’aria di spessore d = 18 mm. Le temperature delle due lastre affacciate verso l’intercapedine sono pari a 12°C e 2°C. Avvalendosi, qualora possibile, della correlazione per la convezione naturale in cavità proposta e delle tabelle di proprietà termofisiche dell’aria fornite, determinare:

• La densità di flusso termico convettivo attraverso l’intercapedine;
• La densità di flusso termico radiativo attraverso l’intercapedine;
• La trasmittanza termica del vetrocamera.

Dati: σ = 5,67×10⁻⁸ W/(m²K⁴); hᵢ = 8 W/(m²K); hₑ = 25 W/(m²K).

Esercizio 3

Un apparecchio illuminante possiede la curva fotometrica riportata in tabella, avente simmetria rotazionale attorno all’asse α = 0°. L’apparecchio è posto ad una distanza di 2 m da un piano di lavoro. L’illuminamento richiesto sul piano in un punto P ad una distanza di 0,5 m dal piede della perpendicolare dall’apparecchio al piano è pari a 500 lux. Determinare:

• Il flusso luminoso della sorgente;
• La luminanza del punto P, nell’ipotesi in cui il piano di lavoro sia una superficie lambertiana con coefficiente di riflessione luminosa 0,7.

Tabella curva fotometrica:

Tema d'esame 9/9/2013

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Un gas perfetto compie un ciclo di Carnot inverso operante tra le sorgenti a temperatura T_c = 5°C e T_h = 24°C. Nell’espansione isoterma il gas assorbe un calore pari a 5 kJ/mole. Sapendo che l’entropia molare del gas all’inizio dell’espansione isoterma è pari a 200 J/(mole.K):

• Determinare il coefficiente di prestazione frigorifera;
• Tracciare il ciclo nel piano (T,s), indicando i valori assunti dalle variabili nei punti fondamentali del ciclo;
• Calcolare il rapporto tra il volume al termine dell’espansione isoterma e il volume all’inizio della stessa.

Dati: R = 8.314 J/(mole.K).

Esercizio 2

In un impianto di riscaldamento ad aria si preleva aria esterna nelle condizioni 1 (t_bs1 = 5°C, UR₁ = 80%) e la si miscela con aria di ricircolo interna nelle condizioni 2 (t_bs2 = 20°C, UR₂ = 50%). Il rapporto tra le portate è 1:2. L’aria di miscelazione viene quindi inviata ad una batteria di riscaldamento che la porta alla temperatura t_bs4 = 32°C. Determinare, avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato e tracciando su di esso le trasformazioni:

• La temperatura dell’aria di miscelazione;
• La potenza termica fornita nella batteria per unità di portata di aria secca.

Esercizio 3

Un ambiente interno ha una sola parete esposta verso l’esterno opaca con trasmittanza termica U = 0.7 W/(m²K), coefficiente di assorbimento solare esterno α = 0.6 e superficie S = 18 m². La temperatura operante interna è pari a 20°C, quella esterna è -5°C, l’irradianza solare incidente sia G = 400 W/m². I coefficienti globali di scambio siano h_i = 8 W/(m²K) e h_e = 25 W/(m²K). Determinare:

• Il flusso termico solare attraverso la superficie interna della parete, in modulo e verso;
• Il flusso termico netto attraverso la superficie interna della parete, in modulo e verso;
• La temperatura superficiale interna della parete;
• Lo spessore di isolante con conduttività termica λ = 0.04 W/(m.K) da aggiungere alla parete affinché la trasmittanza termica si riduca del 40%.

Tema d'esame 18/9/2013

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Una portata di aria umida nelle condizioni 1 (t_bs1 = 34°C, UR₁ = 30%) viene umidificata con acqua liquida fino a raggiungere l’umidità relativa UR₂ = 80%. Determinare, avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato e tracciando su di esso la trasformazione:

• La portata di acqua liquida iniettata;
• La temperatura dell’aria a seguito dell’umidificazione;
• La minima temperatura raggiungibile con un processo di questo tipo.

Esercizio 2

Un ambiente parallelepipedo di dimensioni 5 m x 5 m x 3 m ha una parete disperdente che presenta una temperatura superficiale interna pari a 17°C. Nel pavimento è integrato un impianto di riscaldamento a pannelli, tale per cui la temperatura superficiale interna del pavimento è pari a 24°C. Le rimanenti superfici interne si trovano a 20°C. L’aria dell’ambiente si trova a 19°C ed il coefficiente di scambio convettivo tra il pavimento e l’aria è pari a 3 W/(m²K). Determinare:

• La potenza termica scambiata per convezione dal pavimento, indicandone anche il verso;
• Il fattore di vista tra il pavimento e la parete disperdente;
• La potenza termica globalmente scambiata dal pavimento, indicandone anche il verso;
• La temperatura operante ambiente.

Dati: σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²K⁴).

Esercizio 3

Un cielo coperto uniforme, assimilabile ad una sorgente lambertiana, ha luminanza L = 8000 cd/m². Si valuti:

• L’illuminamento da esso prodotto in un punto generico del terreno;
• La luminanza del terreno, assimilabile anch’esso ad una superficie lambertiana con coefficiente di riflessione ρ = 0,3;
• L’illuminamento complessivamente presente nel punto medio di una finestra verticale.

Tema d'esame 4/2/2014

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Una quantità pari a 0.3 kmoli di un gas perfetto monoatomico esegue un ciclo termodinamico costituito dalle seguenti trasformazioni quasi-statiche: 1,2 isocora, 2,3 isoterma, 3,1 isobara. Sapendo che la minima e la massima temperatura del ciclo sono rispettivamente 300 K e 580 K, e che p₁ = 10 kPa, si richiede di:

• Tracciare il ciclo nel piano (p,V), indicando i valori assunti dalle variabili p e V nei punti 1,2 e 3;
• Calcolare il calore assorbito nel ciclo;
• Calcolare il rendimento del ciclo.

Dati: R = 8,314 J/(mol.K).

Esercizio 2

Una portata massica di aria umida nelle condizioni 1 (t_bs1 = 32°C, UR₁ = 60%) scorre in un condotto di sezione rettangolare, con rapporto 1:1.5 tra i due lati, con una velocità media di 5 m/s. L’aria attraversa quindi una batteria di raffreddamento. Determinare, avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato e tracciando su di esso la trasformazione:

• Le dimensioni della sezione del condotto aeraulico;
• La massima potenza termica che può essere sottratta dalla batteria affinché non vi sia condensazione.

Esercizio 3

Un locale con temperature superficiali pari a 19°C e temperatura dell’aria pari a 21°C è riscaldato da un radiatore con temperatura superficiale pari a 50°C ed emissività pari a 0.9. Il radiatore fornisce all’ambiente una potenza termica pari a 1.5 kW. Il coefficiente di scambio radiativo tra il radiatore e l’ambiente è pari a 6 W/(m²K) mentre il coefficiente di scambio convettivo si può calcolare tramite la relazione:

• Determinare la superficie del radiatore;
• La temperatura operante dell’ambiente, specificando le ipotesi adottate;
• La differenza in termini percentuali tra calcolare il flusso termico radiativo in maniera linearizzata e no.

Dati: σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²K⁴).

Tema d'esame 24/2/2014

Proff. L. Pagliano, A. Angelotti

Esercizio 1

Una portata di aria umida nelle condizioni 1 (t_bs1 = 10°C, UR₁ = 50%) viene miscelata con una seconda portata di aria umida 2 (t_bs2 = 30°C, UR₂ = 70%). Determinare, avvalendosi del diagramma psicrometrico allegato e tracciando su di esso la trasformazione:

• Entalpia specifica ed umidità assoluta delle due portate;
• Temperatura di bulbo secco e temperatura di bulbo umido della miscela risultante.

Esercizio 2

Una parete disperdente è costituita da un serramento (A_tr = 2 m²; U_tr = 2.8 W/(m².K); g = 0.72) e da una chiusura opaca (A_op = 15 m²; α = 0.4) la cui stratigrafia è riportata in tabella. Siano note le temperature operanti interna ed esterna (T_oi = 20°C, T_oe = 5°C), l’irradianza solare incidente G = 280 W/m², i coefficienti globali di scambio interno ed esterno (h_i = 8 W/(m².K); h_e = 25 W/(m².K)). Determinare:

• La trasmittanza della parte opaca;
• La potenza termica dispersa attraverso l’intera parete;
• Il guadagno solare entrante nell’ambiente interno attraverso l’intera parete;
• La potenza netta attraverso la superficie interna dell’intera parete, con relativo verso.

Tabella stratigrafia parte opaca:

Esercizio 3

Una sorgente luminosa puntiforme assorbe una potenza elettrica pari a 40 W. L’illuminamento prodotto in un punto posto su un piano di lavoro a distanza di 1.5 m dalla sorgente, al piede della perpendicolare sorgente-piano, è pari a 150 lux. Si determini:

• L’illuminamento totale nel punto considerato;
• La luminanza del punto, assumendo che il piano di lavoro sia una superficie lambertiana con coefficiente di riflessione ρ = 0.6.