Il calore come forma di energia. prof. ing. Piercarlo Romagnoni Università IUAV di Venezia Dipartimento della Ricerca Dorsoduro, Venezia

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1 Il calore come forma di energia prof. ing. Piercarlo Romagnoni Università IUAV di Venezia Dipartimento della Ricerca Dorsoduro, Venezia

2 Alcune definizioni Il calore è definito come quella forma di energia che è trasferita attraverso i confini di un sistema ad una data temperatura ad un altro sistema (o verso l'esterno) ad una temperatura più bassa in virtù della sola differenza di temperatura tra i due sistemi q est < q int q int

3 Spesso si confonde l energia termica (calore) con la temperatura La temperatura indica lo stato di agitazione delle molecole di un corpo. L energia termica consente di aumentare (o diminuire) la temperatura di un corpo Caldo e freddo sono sensazioni!!!

4 Ancora su calore e temperatura Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono in equilibrio termico anche tra di loro. La temperatura di un sistema è quella proprietà (del sistema) che determina se esso sia o non sia in equilibrio termico con altri sistemi. La temperatura di un corpo quindi mi segnala con il suo variare l acquisizione o la cessione di energia termica da parte del corpo

5 Misura dell energia termica Termica La kilocaloria [kcal]: energia necessaria per riscaldare 1 kg di H 2 O distillata da 14,5 C a 15,5 C alla pressione p = 1 atm. Joule 1 kcal = 4186 J kilowattora 1 kwh = 3, J = 3,6 MJ 1 kwh = 860 kcal

6 Misura dell energia termica (combustione) Petrolio, metano e carbone 1 TEP = kcal = kwh = GJ 1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m kg (di Petrolio) = 1 TEP P ci, petrolio = kcal/ kg = 11,6 kwh/kg P ci, carbone = 7000 kcal/ kg = 8,14 kwh/kg P ci, metano = 8900 kcal/m 3 = 10,35 kwh/m 3

7 Misura dell energia termica: metano Standard metro cubo [Sm 3 ]: è la massa di gas contenuta in 1 m 3 alla pressione atmosferica alla temperatura q = 15 C P ci, metano = 34,5 MJ/ Sm Sm 3 = 0,826 tep

8 Si definisce Potere Calorifero Superiore (PCS) di un combustibile la quantità di calore prodotta dalla combustione completa dell unità di massa del combustibile quando i prodotti della combustione (fumi) siano portati alla temperatura q = 0 C ed alla pressione p = Pa. In realtà, in tal modo viene conteggiato anche il calore di condensazione del vapore acqueo (circa 2,51 MJ/kg) prodotto dalla reazione o liberato dal combustibile: risulta pertanto di uso più pratico il Potere Calorifero Inferiore (PCI) che si ottiene dal PCS diminuito del calore di condensazione.

9 Misura della temperatura Misurare la temperatura significa attribuire ad ogni temperatura in maniera univoca un valore. E necessario fissare una scala di temperatura: una temperatura da considerare come riferimento, in altre parole lo zero della scala una unità di misura

10 Misura della temperatura Una scala di temperatura molto diffusa è quella Celsius o centigrada. In essa l astronomo svedese A. Celsius ( ) utilizzò le trasformazioni di stato dell acqua come riferimento. In corrispondenza alla fusione dell acqua alla pressione atmosferica (punto di fusione normale) assunse una temperatura pari a zero mentre in corrispondenza dell ebollizione (punto di ebollizione normale) assunse una temperatura pari a 100. L unità di misura è posta quindi pari a 1/100 dell intervallo di temperatura tra il punto di fusione e il punto di ebollizione dell acqua. Essa viene chiamata grado celsius, o centigrado, e indicata con [ C].

11 Un altra scala, molto utilizzata in ambiente anglosassone, è invece quella Fahreneit. Nella sua definizione, D. Fahreneiht ( ) scelse come riferimenti la temperatura di solidificazione di una miscela di acqua, ghiaccio e sale d ammonio (0 F) e la temperatura corporea di un individuo sano (96 F). Con tali assunzioni il punto di solidificazione normale dell acqua corrisponde a 32 F e il punto di ebollizione normale a 212 F. L unità di misura diventa quindi pari a 1/180 dell intervallo di temperatura tra il punto di fusione e il punto di ebollizione dell acqua. Essa viene chiamata grado fahreneit, e indicata con [ F].

12 temperatura B temperatura A q F 32 q C qf 1,8 qc 32 1,8

13 F Conversione della temperatura y x C

14 La temperatura assoluta: il Kelvin [lord Kelvin, W. Thomson ( )] La scala è costruita basandosi sul concetto di rendimento di una macchina motrice reversibile: h 1 Q Q L H h rev = f(t H, T L ) Il solo fattore che influenza l efficienza termica di un ciclo reversibile è la temperatura delle due sorgenti (T H > T L ) E quindi: Q Q L H rev f ( TH, TL )

15 Tra le diverse funzioni f, Lord Kelvin scelse: ovvero: Ed è pertanto possibile creare una scala termometrica assegnando un valore fisso ad una sorgente così che: H L L H T T T T f 1 ), ( H L H L H L H L T T Q Q T T Q Q 1 1 rev Tfixed T rev Tfixed T fixed Q Q T Q Q T T 273,16 T [K] Q T /Q Tfixed 1 273,16

16 La scala Kelvin è basata sul punto fisso: il Punto Triplo dell Acqua T T = 273,16 K (= 0,01 C) Sulla base di tale riferimento la temperatura del punto di fusione normale dell acqua corrisponde a 273,15 K e la temperatura del punto di ebollizione normale corrisponde a 373,15 K. L unità di misura è posta quindi pari a 1/100 dell intervallo di temperatura tra il punto di fusione e il punto di ebollizione dell acqua. Essa viene chiamata KELVIN. [K] = [ C] + 273,15 Ma: mentre DT [K] =DT[ C] DT[ C] = 5/9 DT[ F]

17 Una proprietà correlata La capacità termica di un sistema il rapporto tra la quantità di calore scambiato Q e la variazione di temperatura generatasi nel sistema. Essa si misura in J/K. C Q ( T f - Ti ) La capacità termica di una massa unitaria di sostanza è detta calore specifico, c, della sostanza e si misura in J/(kg K). Tra capacità termica, C, e calore specifico, c, essendo M la massa del sistema si ha: C = M c

18 Esempio Si voglia determinare il calore specifico di una sostanza sapendo che per far aumentare la temperatura di 30 C a 3 kg di tale sostanza occorre fornire 83 kj. Sapendo che il calore specifico è la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado centigrado (o di un kelvin) la temperatura di una massa unitaria basterà dividere la quantità di calore nota per la differenza di temperatura imposta e la quantità di massa su cui viene applicata tale quantità di calore: c = Q / (m DT) = 83 / (3 x 30) =0.92 kj/(kg K) = 920 J/(kg K)

19 Il calore specifico (unità di massa di alcune sostanze) Acqua liquido c = 4186 J/(kg K) Acqua ghiaccio c = 2000 J/(kg K) Acqua vapore c = 1875 J/(kg K) Aria c = 1005 J/(kg K) Calcestruzzo armato c = 960 J/(kg K) Laterizio c = 920 J/(kg K) Legno c = 1900 J/(kg K) Vetro c = 750 J/(kg K) Alluminio c = 270 J/(kg K) Rame c = 120 J/(kg K)

20 La potenza termica scambiata da una portata di fluido che subisce una variazione di temperatura: qmc( q q i = temperatura di ingresso i q u ) V c ( q i q u ) q u = temperatura di uscita q i c = calore specifico del fluido [J/(kg K)] = densità del fluido [kg/m 3 ] m V = portata di massa [kg/s] = portata volumetrica [m 3 /s] q u

21 I meccanismi di trasmissione del calore Il calore è l energia trasmessa da un corpo ad un altro in virtù di una differenza di temperatura. Dall osservazione dei fenomeni termici, è possibile mettere in evidenza il fatto che lo scambio termico tra due corpi o tra parti di uno stesso corpo, aventi temperatura diversa, può avvenire secondo tre diversi meccanismi di trasmissione detti rispettivamente: - Conduzione, quando lo scambio si ha tra due porzioni di materia a diversa temperatura ed in assenza di moto; conducibilità del materiale - Convezione, quando si ha contatto tra i corpi interessati allo scambio di calore e almeno uno è costituito da un fluido in movimento; coefficiente convettivo h - Irraggiamento, quando non si ha contatto diretto tra corpi proprietà superficie (emissività)

22 Isolare significa contrastare il flusso di calore: Conduzione il gas ha conducibilità bassa: aria 0,026 W/(m K), l alluminio sui 50 W/(m K) Convezione Scambio con gas e aria I gas nobili hanno bassa mobilità e limitano la convezione (es. nelle interfaccia dei vetri) e 1, T 1 Irraggiamento le superfici con bassa emissività scambiano poca energia e 1 >e 2 T 1 T 2

23 Per la valutazione dello scambio termico attraverso un elemento in regime stazionario (indipendenza dal tempo) è possibile scrivere: q trasmesso ( qi A R q e totale ) U A( q i q e ) e trattare i singoli materiali (o strati di una parete) come resistenze termiche Conduttive R t = s/l Convettive R t = 1/h Radiante R t 1e e 1 ( T 1 1 T 1 F 2 12 ) ( T 1e e 2 1 T ) U = trasmittanza termica della struttura =1/ R tot

24 La trasmittanza termica U [W/(m 2 K)] descrive la capacità di una serie di materiali disposti uno accanto all altro di agevolare il passaggio di calore Se voglio isolare: U bassa (per esempio, una casa passiva: U = 0,15 W/(m 2 K)] t ai > t ae ambiente Ambiente esterno aria temperatura t esterno ae qe = 0 C Q ri Q re Q cond Q ci Q ce Ambiente ambiente interno interno aria temperatura t ai qi = 20 C

25 Qualità dell involucro L uso di un pacchetto isolante nelle pareti opache garantisce minori dispersioni. Uso di vetro a più strati

26 Materiale l [W/(m K)] [kg/m 3 ] Lana di roccia 0,035 0, Lana di vetro 0,035 0, Perlite espansa 0,05-0, Vetro cellulare 0,045 0, Argilla espansa 0,130 0, Fibra di cellulosa 0, Sughero espanso 0,04 0, Fibra di legno (pannello) Fibra di legno mineralizzato 0,050-0, , Paglia e giunco 0,06 0,130 - Lana di pecora 0,04 - EPS pol. Espanso 0,035 0, XPS pol. estruso 0,030-0, PUR poliuretano 0,020 0,

27 Il vetro: il controllo solare La trasmissione luminosa non è la trasmissione energetica

28 Trasmittanza (%) Parametri ottici: t e, e, t v, v 100 UV visibile visibile infrarosso Solare: visibile + IR + UV 80 t v Chiaro 20 Grigio Bronzo t e Verde Lunghezza d'onda (nm)

29 Calore e forma d = 10 m S/ V = 0,6 m -1 S/ V = 0,4 m -1 S/ V = 0,45 m -1 Forme più compatte consentono minori dispersioni S/ V = 0,45 m -1