Fisica Tecnica Ambientale per l Architettura. Facoltà Architettura Roma Sapienza Laurea Magistrale a Ciclo Unico

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1 Fisica Tecnica Ambientale per l Architettura Facoltà Architettura Roma Sapienza Laurea Magistrale a Ciclo Unico

2 Introduzione alla Termodinamica Fisica Tecnica Ambientale Prof. Davide Astiaso Garcia 02/03/2015

3 Fisica Tecnica Ambientale e Termodinamica La Fisica Tecnica Ambientale si occupa dei problemi che trattano il trasporto di massa di calore che rappresentano l anello di connessione tra la Fisica dell edificio e gli impianti di climatizzazione. Discipline diverse ma complementari che il progettista deve affrontare in un ottica di integrazione di sistemi tecnologici.

4 Fisica Tecnica Ambientale e Termodinamica La conoscenza dei fenomeni di trasporto di MASSA e di CALORE deve essere orientata alla funzione che l edificio deve svolgere tramite le scelte di progettazione impiantistica. OBIETTIVI: Studio e scelta di soluzioni progettuali Tecniche costruttive dei materiali e loro comportamento Corretti meccanismi di scambio termico tra uomo e ambiente Efficienza energetica Rispetto delle leggi e normative di settore.

5 In pratica dobbiamo sapere Gli scambi di energia sotto forma di calore e lavoro che avvengono su componenti tecnologici e strutture degli edifici Misurarli: temperatura, calore, lavoro, energia, potenza Elaborarli con modelli fisico-matematici semplici ma affidabili e precisi per il sistema edificio-impianti

6 La termodinamica La termodinamica si applica a tutti i tipi di sistemi Un sistema termodinamico è qualsiasi aggregato di materia o radiazione abbastanza grande da essere descritto da parametri macroscopici senza riferimento ai singoli costituenti atomici o subatomici

7 La termodinamica Studia l energia coinvolta nelle trasformazioni. Ha a che fare con le trasformazioni dell energia, compresi il calore e il lavoro, e con le proprietà fisiche delle sostanze coinvolte nelle trasformazioni La termodinamica è usata per capire e descrivere i sistemi che subiscono variazioni di energia

8 Due scale per descrivere la termodinamica Affrontare il problema da un punto di vista macroscopico (Termodinamica classica) Affrontarlo da un punto di vista microscopico (Termodinamica statistica)

9 Termodinamica classica: scala del visibile La termodinamica classica si limita ad osservare i fenomeni termici a livello macroscopico e a determinare le leggi che collegano tra loro le cosiddette variabili di stato termodinamiche, per esempio la temperatura T, la pressione P, il volume V. Risulta più semplice da un punto di vista matematico, almeno nei suoi primi sviluppi, ma meno intuitiva.

10 Termodinamica statistica: scala microscopica Esiste un altro modo di studiare questi fenomeni, quello di cercare di capire che succede a livello microscopico, il che fornisce un maggiore supporto intuitivo. E il metodo che segue la meccanica statistica. (Che noi non approfondiremo..)

11 Che cos è l energia secondo Feynmann Esiste una proprietà, o se preferite una legge, che governa tutti i fenomeni naturali conosciuti fino ad oggi. Non si conosce eccezione a questa legge : essa è esatta nel limite delle nostre conoscenze. La legge è chiamata conservazione dell energia. Essa stabilisce che vi è una certa quantità, che chiamiamo energia, che non cambia nei molteplici mutamenti subiti dalla natura. Il concetto è astratto, poiché si tratta di un principio matematico; esso afferma che esiste una quantità numerica che non cambia qualsiasi cosa accada. Non è la descrizione di un meccanismo o di un fenomeno concreto, è soltanto il fatto singolare di poter calcolare un numero e dopo aver osservato i mutamenti capricciosi della natura, ricalcolarlo ottenendo sempre lo stesso risultato. Richard Feynman La Fisica di Feynman, vol. I

12 Forme di energia Termica (variazione di temperatura) Meccanica (variazione di forma) Cinetica (movimento) Potenziale (posizione) Elettrica (carica elettrica) Magnetica (campo magnetico) Chimica (potenziale chimico) Nucleare (decadimento del nucleo)

13 Energia in termodinamica Non fornisce informazioni sul contenuto totale di energia di un sistema Ha a che fare con variazioni di energia (differenze, D) Macroscopica: descrizione dell intero sistema rispetto ad una riferimento esterno (energia cinetica o energia potenziale) Microscopica: correlata alla struttura molecolare di un sistema ed indipendente da riferimenti esterni; La somma delle forme microscopiche di energia è l energia interna (simbolo U)

14 L importanza della Termodinamica Il principio di conservazione dell energia permette di definire e quantificare i flussi di energia (I principio della termodinamica). Il II principio della termodinamica permette di determinare la direzione del flusso di energia e la sua qualità. Ogni sistema energetico (reattore nucleare, sole, cellula, turbina a gas) è sottoposto al I e al II principio della termodinamica. La termodinamica può essere usata per calcolare e prevedere i cambiamenti energetici di un sistema

15 In conclusione Parte della fisica che studia i processi macroscopici implicanti scambi e conversioni di calore. Lo studio termodinamico, puramente fenomenologico, descrive i sistemi fisici con un numero limitato di parametri, misurabili macroscopicamente e tra i quali sussistono relazioni determinabili sperimentalmente. Alla base della t. è l equivalenza fra calore e lavoro.

16 Sistema e ambiente Superficie di controllo S.C. La superficie reale o immaginaria che separa il sistema dall ambiente è la superficie di controllo. Sistema Ambiente Il sistema è la quantità di materia o la regione di spazio oggetto di studio. Tutto ciò che è esterno al sistema costituisce l ambiente.

17 Sistema ed Esterno Un SISTEMA può essere un qualsiasi oggetto scelto e isolato (mentalmente) dal resto, che diventa l ESTERNO del sistema. I sistemi considerati in termodinamica sono finiti e vengano trattati dal punto di vista macroscopico e non microscopico. Cioè non si tiene conto della struttura della materia, ma vengono considerate come variabili termodinamiche solo le caratteristiche globali del sistema, come la pressione e la temperatura (grandezze misurabili). L involucro immaginario che racchiude un sistema e lo separa dal suo esterno è chiamato CONTORNO del sistema: ISOLA il sistema dal suo esterno realizza una INTERAZIONE fra il sistema e l esterno

18 Esempi di sistemi Thermos Individuo Aula Navicella spaziale Macchina termica

19 Vincoli di un sistema Chiuso - Aperto m in m out Pareti rigide e fisse - Pareti mobili Adiabatico - Diatermano Q k m k Isolato -Non isolato L k

20 Macroscopico e microscopico Approccio microscopico 1 mole = 6, particelle elementari Approccio macroscopico Sistema come continuo Coordinate termodinamiche come medie statistiche (proprietà termodinamiche)

21 Proprietà termodinamiche Una proprietà di stato dipende solo dalle altre proprietà di stato intensiva il valore è indipendente dall estensione del sistema. La proprietà è qualunque grandezza caratteristica del sistema. estensiva il valore è dipendente dall estensione del sistema. Una proprietà di stato dipende solo dalle condizioni in cui il sistema si trova e non dal modo in cui esso lo ha raggiunto pressione, temperatura, conducibilità termica, massa,, volume, energia, entropia,..

22 Proprietà specifiche proprietà estensiva massa proprietà specifica volume specifico, energia specifica, entropia specifica,

23 Stato e Equilibrio Stato Condizioni di un sistema come specificato dai valori delle sue proprietà (T=5.0 C, P=1 atm) Se le proprietà cambiano il sistema raggiunge un nuovo stato Equilibrio Non esistono sbilanciamenti o forze che spingono a variazioni del sistema Il sistema è in equilibrio quando non subisce cambiamenti macroscopici P S 1 S 2 V - 33

24 Equilibrio Equilibrio termico Non esiste un gradiente di temperatura all interno del sistema Equilibrio meccanico T 1 T 2 T 1 = T 2 La pressione è costante in ogni punto del sistema P 1 P 2 P 1 = P 2 P 1 f(tempo) P 2 f(tempo)

25 Trasformazioni termodinamiche Si definisce processo o trasformazione termodinamica una variazione dello stato termodinamico di un sistema Una trasformazione si definisce quasi statica quando essa avviene seguendo una successione di stati di equilibrio (tempo di rilassamento) p isocora Isobara V

26 Caratteristiche delle proprietà di stato Condizione necessaria e sufficiente affinchè una generica proprietà sia una funzione di stato è che soddisfi la seguente condizione: L integrale di una funzione di stato tra due generici punti A, B non dipende dal percorso della trasformazione y 2 Corollario 1 L integrale di una funzione di stato lungo un generico percorso chiuso è nullo. 1 a b Corollario 2 In un sistema bivariante (e.g. sistema p,v,t), date due generiche proprietà di stato x, y indipendenti ed una generica proprietà z=f(x,y), la forma differenziale di z: x è sempre un differenziale esatto, ovvero:

27 Temperatura e principio zero della termodinamica Temperatura Misura quanto freddo o quanto caldo è un sistema in modo quantitativo Riflette il grado di agitazione delle molecole Gas Bassa Temperatura Alta Temperatura

28 Principio Zero della termodinamica Se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo essi sono anche in equilibrio termico tra loro T 1 T 3 T 2 Se T 1 = T 3 e T 2 = T 3, anche T 1 = T 2

29 Scale di temperatura Kelvin Punto di congelamento dell acqua a P = 1 atm T = K Punto di vapore dell acqua a P = 1 atm T = K Celsius Punto di congelamento dell acqua a P = 1 atm T = 0 o C Punto di vapore dell acqua a P = 1 atm T = 100 o C 1 C = 1K

30 Temperatura T(K) = T( C)

31 La misura della temperatura Indipendentemente dallo stato di aggregazione, le molecole sono soggette continuamente a un moto di agitazione termica La temperatura è un indice dello stato di agitazione termica: più grande è l agitazione termica, maggiore è la temperatura. Equilibrio termico: due corpi a temperatura diversa posti a contatto, dopo un certo tempo assumono una temperatura intermedia comune (principio zero della termodinamica) Il termometro è lo strumento che misura la temperatura Nel SI la temperatura si misura in kelvin (K), anche se è molto diffuso l uso del grado celsius o centigrado ( C).

32 La misura della temperatura Scala Celsius: suddivide in 100 parti l intervallo tra due punti fissi 0 C: temperatura ghiaccio fondente 100 C: temperatura acqua bollente (a pressione atmosferica) La suddivisione della scala Kelvin è la stessa della Celsius, ma l origine della scala è traslata: 0 C corrispondono a 273,15 K

33 La misura della temperatura Scale termometriche CELSIUS ( C) KELVIN (K) T(K) = T( C) FAHRENHEIT ( F) T( F) = * T( C) / 5 La scala Celsius e la scala Kelvin sono scale centigrade, la scala Fahrenheit no!

34 Diagramma di stato dell acqua

35 Diagramma di stato dell acqua FUSIONE CONGELAMENTO EBOLLIZIONE CONDENSAZIONE BRINAZIONE SUBLIMAZIONE

36 La calorimetria Si definisce capacità termica, media: Il calore necessario per far variare di 1 K la temperatura di un corpo T. (caratteristica del corpo) Si definisce calore specifico, medio: il calore che occorre scambiare con l unità di massa di una sostanza, alla temperatura T, per farne variare la temperatura di 1 K. (caratteristica del materiale) In termini infinitesimi: Calore specifico molare c C = Q DT C m 41 1 m Q = mcdt c = 1 m dq dt c m = 1 dq n dt Q T

37 Calore specifico è la capacità termica dell unità di massa del materiale si indica con c Q c m T c m ( T T ) c dipende dal tipo di materiale e f i C c m c Q energia l mt lt m T m T mt T nel SI il calore specifico c si misura in J/(kg K) si devono precisare le condizioni sotto cui c è misurato a pressione costante c p a volume costante c v

38 Il calore specifico dipende dalla sostanza dipende dalla T, si considera costante per piccole variazioni da T amb dipende dalla trasformazione con cui viene ceduto calore G. 42