Metabolismo: trasformazione dell energia chimica in energia termica e lavoro

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1 Metabolismo: trasformazione dell energia chimica in energia termica e lavoro Uomo: stufetta da 100W Al giorno: Uomo 2500 kcal; Donna 1800 kcal 1

2 Metabolismo - (lavoro+evaporazione+respirazione+radiazione+convezione) = 0 F (abbigliamento, attività, temperatura-umidità-velocità aria, temperatura pareti, temperatura-evaporazione pelle)=0 2

3 La pelle, la seconda pelle, la terza pelle Omeotermia del corpo: sistemi di termoregolazione vasomotorio e comportamentale Grandezza fisica S.I. Altre U M Altro Temperatura Kelvin 0 Celsius = 273,16 Kelvin Caratteristica termometrica T C = T K Pressione Pascal 1bar=10 5 Pa 1atm= Pa 760mmHg=1atm Forza su unità di area Lavoro Joule Forza per componente dello spostamento lungo la direzione della forza Energia Joule 1Kcal=4186Joule Calore Onde 1Kwh=1000x3600 Joule Meccanica capacità di compiere lavoro ma non solo, chimica, elettrica.. Potenza Watt 1Kcal/h=4186/3600 Watt Energia su unità di tempo Intensità Watt/m 2 Potenza su unità di superficie Rendimento Adim. Energia usata/ energia consumata 3

4 CONDUZIONE Calore energia CONVEZIONE Temperatura coordinata macroscopica IRRAGGIAMENTO 4

5 Legge di Fourier Q = S λ T t Q= calore S= superficie disperdente λ= conduttanza T= differenza di temperatura t= tempo Due parole sui termini λ Conduttanza (W/m 2 K) conduzione dell intero elemento fisico calore trasmesso su unità di superficie, tempo e grado (dalla Q = S λ T t) R Resistenza (m 2 K/W) resistenza dell intero elemento fisico k Conduttività (W/m K) conduzione propria di quella sostanza ρ Resistività (m K/W) resistenza della sostanza 5

6 MATERIALI SPESSORE UTILE PER OTTENERE UN VALORE DI TRASMITTANZA TERMICA PARI A 0.4 W/m²K LANA DI VETRO/ROCCIA 10 cm POLISTIRENE 8 cm POLIURETANO 7 cm CELLULOSA 10 cm SUGHERO 10 cm LANA DI PECORA 9 cm FIBRA DI LEGNO 9 cm 6

7 Req=R c1 +R 1 +(R 2 +R 4 )*R 3 /(R 3 +R 2 +R 4 )+R 5 +R 6 +R c2. con Q=A(T1-T2)t/Req Rc1, c2 resistenze convettive R1,2,3,4,5,6 resistenze conduttive TA=T1-Rc1*Q TB=TA-R1*Q TC=TB-R2*Q1 TD=TC-R4*Q1 Q1=Q*R3/(R3+R2+R4) TE=TD-R5*Q TF=TE-R6*Q 7

8 Gradiente termico instabile 1K/1m 8

9 Lunghezza d onda Ampiezza Periodo Frequenza Velocità Onde longitudinali Onde trasversali L ONDA TRASPORTA ENERGIA 9

10 Riflessione rifrazione - assorbimento SNELLIUS Senα i /Senα r = v 1 /v 2 =n 2 /n 1 v 1 n 1 =c/v 1 n 2 =c/v 2 v 2 Riflessione rifrazione assorbimento: Il caso del vetro 10

11 Gas T m ( C) r (kg/m 3 ) m (kg / (m*s)) l (W / m K) E Riflessione rifrazione assorbimento: Il caso del vetro E Aria E E E E Argon E E Qualsiasi corpo emette radiazioni (oltre a assorbirne rifletterne e trasmetterne) La totalità della radiazione che parte dal corpo la chiameremo radiosità = Σe-r-t L emissione è dovuta alla transizione degli elettroni tra gli stati quantici ed è legata allo stato del corpo (PVT) e al tipo di materia, per i corpi opachi le molecole esterne assorbono fortemente le emissioni interne. Ne consegue una emissione legata al solo strato superficiale di circa 1µm Radiazione con effetto termico 0.1µm 100 µm 11

12 Onde elettromagnetiche Lunghezze d onda e frequenze Spettri di emissione La radiosità cioè l energia totale emessa da una superficie reale dipende dalle caratteristiche della superficie e dal campo circostante emittente IL CORPO NERO Assorbe tutta la radiazione incidente Per ogni temperatura e lunghezza d onda assegnata nessun corpo può emettere più di un corpo nero Legge di Wein: λemax Τ=2897,6 (µmk) Legge di Stefan Boltzman: IL CORPO NERO Potenza su unità di area = σ (5, ) T 4 Il corpo nero è un emettitore diffuso cioè l emissione non è funzione della direzione Ma ci sono fattori di vista negli scambi 12

13 La radiosità cioè l energia totale emessa da una superficie reale dipende dalle caratteristiche della superficie e dal campo circostante emittente IL CORPO GRIGIO ε Emissività: rapporto tra potenza emessa dal corpo nero e potenza della superficie reale Potenza = ε σ (5, ) T 4 Scambio termico di una piccola superficie convessa all interno di una grande superficie concava Potenza scambiata = εσ (5, ) (T1 4 - T2 4 ) Assorbe tutta la radiazione incidente Per ogni temperatura e lunghezza d onda assegnata nessun corpo può emettere più di un corpo nero Legge di Wein: λemax Τ=2897,6 (µmk) Legge di Stefan Boltzman: Potenza su unità di area = σ (5, ) T 4 Il corpo nero è un emettitore diffuso cioè l emissione non è funzione della direzione Ma ci sono fattori di vista negli scambi Il calore netto scambiato è uguale alla differenza tra l energia emessa e quella ricevuta Potenza scambiata per unità di area = ε σ (5, ) (T1 4 - T2 4 ) Non necessita di un mezzo di propagazione 13

14 Calore istantaneo distribuito solo nelle aree interessate 14

15 trasmittanza U somma dei contributi conduttivi, convettivi, radiativi Q=U S T t Per la radiazione e la convezione si introducono coefficienti liminari o di adduzione tabulati. α U=1/Rtot= 1/(1/α ι +ΣR x +1/α ε ) DL del 19 agosto 2005 n.192 modificato dal DL 29 dicembre 2006 n.311 Zona climatica E U strutture opache verticali 0,37 W/m 2 K U strutture trasparenti verticali 2,5 W/m 2 K U=1/Rtot= 1/(1/α ι +ΣR x +1/α ε ) 15

16 FUNZIONE DI capacità termica e conduttività Q= c s m T Q = S λ T t Porotherm bioplan sp. 45 sp. 38 sp. 35 sp. 30 sp. 25 Densità kg/mc λequ W/mK 0,143 0,140 0,143 0,142 0,168 Sfasamento h 22,88 19,75 17,72 15,31 11,32 Smorzamento 0,02 0,05 0,07 0,12 0,27 MATERIALI LANA DI VETRO/ROCCIA POLISTIRENE POLIURETANO CELLULOSA SUGHERO LANA DI PECORA FIBRA DI LEGNO TRASMITTANZA TERMICA PARI A 0.4 W/m²K 10 cm 8 cm 7 cm 10 cm 10 cm 9 cm 9 cm MATERIALI LANA DI VETRO/ROCCIA SPESSORE UTILE PER OTTENERE SFASAMENTO 33 cm DI 8 ORE POLISTIRENE 35 cm POLIURETANO 28 cm CELLULOSA 25 cm SUGHERO 18 cm LANA DI PECORA 39 cm FIBRA DI LEGNO 12 cm Fonte: Peter Erlacher 16

17 17

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19 Tensione di vapore con una sola sostanza Ogni liquido possiede una tensione di vapore (la pressione del vapore generato dal liquido sul liquido stesso). Se riempiamo parzialmente di un liquido un recipiente vuoto, dalla superficie del liquido, a causa dei moti molecolari, alcune molecole sfuggono e passano allo stato vapore. La tensione di vapore aumenta con l aumentare della temperatura Legge di Dalton Ptot=Paria+Pv Pvapore funzione di T e Paria Tensione di vapore con più sostanze Nel caso in cui nel contenitore sia già presente altro gas allora sarà la somma della pressione del gas esistente più la pressione del vapore a dare la pressione totale mantenendo l equilibrio a quella temperatura Aria secca come miscela di gas ideali (azoto78% e ossigeno 20%) Aria come miscela di aria secca (A) e vapor d acqua (V) La quantità di vapore d acqua presente nell aria secca: UMIDITA ASSOLUTA = densità di vapore presente nell aria umida UMIDITA MASSIMA = densità di vapore massima per quella temperatura. UMIDITA RELATIVA= UMIDITA ASSOLUTA / UMIDITA MASSIMA La quantità di vapore rispetto alla quantità d aria UMIDITA SPECIFICA X= densità di vapore/ densità dell aria (ordine di grandezza x= ) 19

20 Equazione di stato dei gas perfetti PV=nRT da cui fissata la T la densità di gas è (nr/v) = P La quantità di vapore d acqua presente nell aria secca: UMIDITA ASSOLUTA = densità di vapore presente nell aria umida P a UMIDITA MASSIMA = densità di vapore massima per quella temperatura. P a sat UMIDITA RELATIVA= UMIDITA ASSOLUTA / UMIDITA MASSIMA La quantità di vapore rispetto alla quantità d aria UMIDITA SPECIFICA X= densità di vapore/ densità dell aria grandezza x= ) (ordine di Temperatura dell aria t ( C) Pressione di vapore saturo p s (bar) Titolo di saturazione x (g vap /kg aria ) -15 0, , , ,60-5 0, ,49 0 0, , , ,4 18 0, ,9 20 0, ,7 22 0, ,6 24 0, ,8 26 0, ,4 28 0, ,0 30 0, ,2 32 0, ,6 34 0, ,4 36 0, ,8 20

21 Diagramma psicrometrico 1 costruire il diagramma delle temperature 2 costruire il relativo diagramma di pressione di vapore saturo 3 costruire il diagramma della pressione di vapore mediante la legge di Fick: Φ = π S (Pvi-Pve) del tutto analoga alla Q = λ S (Te-Ti) t Φ flusso di vapore; π permeanza delle parete; S superficie; (Pvi-Pve) pressioni di vapore interna ed esterna; λ conduttanza; (Te-Ti) temperature esterna ed interna 21

22 22

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