NOZIONI DI FISICA E TERMODINAMICA

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1 Abilitazione alla Conduzione di Impianti Termici Civili P>232kW (D.M ) (DLGS n 152 del art.287) Corso di Formazione Modulo 2 NOZIONI DI FISICA E TERMODINAMICA 09/02/2014 p. i. Marco Masi 1

2 TEMPERATURA La temperatura è la proprietà che caratterizza lo stato termico di due sistemi in relazione alla direzione del flusso di calore e che quindi regola il trasferimento di energia termica o calore, da un sistema ad un altro. Quando due sistemi si trovano in equilibrio termico cioè alla stessa temperatura, non avviene nessun trasferimento di calore. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal sistema che diremo a temperatura più alta verso il sistema che diremo a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell equilibrio termico. Semplificando si può definire la temperatura come il livello di calore o energia termica scambiato tra due sistemi. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 2

3 UNITA DI MISURA DELLA TEMPERATURA Sistema Internazionale Kelvin, simbolo = K. La temperatura in K si rappresenta con = T. Sistema Tecnico Gradi centigradi, simbolo = C. Simbolo = t. La temperatura in C si rappresenta con = t. Corrispondenza tra T e t T = t /02/2014 p. i. Marco Masi 3

4 CALORE In fisica, in particolare in termodinamica, il calore è il trasferimento di energia termica tra due sitemi (es. corpo e ambiente) in virtù di una differenza di temperatura o di un cambiamento di fase. Semplificando si può definire il calore come la quantità di energia termica scambiata tra due sistemi. Quando il calore si manifesta con una variazione di temperatura prende il nome di calore sensibile, quando con un passaggio di fase prende il nome di calore latente. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 4

5 UNITA DI MISURA DEL CALORE Sistema Internazionale Joule, simbolo J, è 1 N * m (newton metro) Sistema Tecnico caloria, simbolo c, è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo di acqua distillata, sottoposta alla pressione di 1 atm, da 14,5 C a 15,5 C. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 5

6 TRASMISSIONE DEL CALORE Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione, convezione e irraggiamento. Convezione Conduzione Irraggiamento 09/02/2014 p. i. Marco Masi 6

7 Il trasferimento del calore tra sistemi può avvenire: - per conduzione :in un corpo solido o fra corpi solidi a contatto causato per urti, di energia cinetica tra le molecole. Nella conduzione viene trasferita energia attraverso la materia, ma senza movimento della stessa; - per convezione : in fluido o in un areiforme dovuta al naturale prodursi di correnti calde e fredde, dovute a diversità di temperatura e quindi di densità nelle regioni di fluido coinvolte nel fenomeno; - per irraggiamento : causato dall emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 7

8 PRESSIONE La pressione è il rapporto tra una forza (quindi anche il peso) e una superficie. p = F / A (N / m 2 ) UNITA DI MISURA DELLA PRESSIONE Sistema Internazionale Pascal, simbolo Pa, è 1N / 1m 2. Impiego Internazionale Bar = 100 kpa = Pa Sistema Tecnico Kilogrammo forza al mq, simbolo kgf/mq, è 1kgf / 1m 2. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 8

9 NozNozioni di Fisica e Termodinamica Impiego Tecnico Atmosfera tecnica, simbolo At, è 1kgf / 1cm 2. Ate è l atmosfera tecnica effettiva, cioè misurata da un manometro al netto della pressione atmosferica. Ata è l atmosfera tecnica assoluta, cioè (al lordo) tiene conto della pressione atmosferica. La pressione è anche misurata in relazione alla pressione atmosferica che corrisponde ad 1 Atm, cioè atmosfera fisica o normale che vale 1,033 kgf/cm 2 = 10,33 ton/m 2. Le conversioni tra sistema tecnico e internazionale sono: -1kgf (forza o peso) = 9,80665 N (1kg * 9,8m/s 2 ) - 1 At (1kgf /cm 2 ) = ,5 (Newton/m 2 ) cioè Pa - 1 Atm (1,033kgf /cm 2 ) = Pa - mm H20 millimetri di colonna d acqua = 9,80665 Pa - mm Hg millimetri di colonna di mercurio = 133,322 Pa 09/02/2014 p. i. Marco Masi 9

10 PRESSIONE ATMOSFERICA La pressione atmosferica è la conseguneza dell esercizio della forza peso dell aria sulla superficie dei corpi. La pressione atmosferica convenzionale è valutata al livello del mare, a 0 C ed a latitudine di 45 ed è pari a 760 mm di colonna di Hg. Quindi: 0,760 mhg * ps kgf/m 3 = ,96 kgf/m 2 = 1,0332 kgf/cm 2 (Atm) kgf/m 2 * 9,807 N/kgf = Pa = 101,325 kpa quindi circa 101 kpa nel SI 09/02/2014 p. i. Marco Masi 10

11 Nozioni di Fisica e Termotecnica FORZA Una forza è una grandezza fisica la cui caratteristica è quella di indurre una variazione dello stato di quiete o di moto dei corpi. Nel caso la massa del corpo sia costante, la formula con la quale si può rappresentare è: L'unità di misura della forza nel SI è il Newton, definito come: Tenendo conto del 2º principio della dinamica, possiamo quindi affermare che una forza di 1 N imprime ad un corpo con la massa di 1 kg l accellerazione di 1 m/s². 09/02/2014 p. i. Marco Masi 11

12 LAVORO Il lavoro, in fisica, è l applicazione di una forza su un corpo che ne provoca la variazione di energia cinetica lungo un generico percorso. UNITA DI MISURA DEL LAVORO Sistema Internazionale Joule : che corrisponde allo spostamento di un metro di una forza di un newton: 1 N * m = 1 J 1J = 1N * m = 1 kg * m/s 2 * m = 1 kg * m 2 /s 2 09/02/2014 p. i. Marco Masi 12

13 . POTENZA La potenza in fisica è definita come il lavoro (L) compiuto nell'unità di tempo(t): UNITA DI MISURA DELLA POTENZA Sistema Internazionale Watt (W) : rapporto tra unità di energia in jolule (J) e unità di tempo in secondi (s). 09/02/2014 p. i. Marco Masi 13

14 ENTALPIA L'entalpia, solitamente indicata con H, è una funzione di stato che esprime la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente. L'entalpia è definita dalla somma dell'energia interna e del prodotto tra volume e pressione di un sistema. Per le trasformazioni che avvengono a pressione costante in cui si ha solo lavoro di tipo meccanico la variazione di entalpia è uguale al calore scambiato dal sistema con l'ambiente esterno. L'entalpia si misura in joule (SI, Sistema internazionale) o in calorie. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 14

15 ENTROPIA In fisica l'entropia è una grandezza che viene interpretata come una misura del disordine di un sistema fisico o più in generale dell'universo. Viene generalmente rappresentata dalla lettera S. In termodinamica classica, S è una funzione di stato, che quantificando l'indisponibilità di un sistema a produrre lavoro. Quando un sistema passa da uno stato ordinato ad uno disordinato la sua entropia aumenta, questo fatto fornisce indicazioni sulla direzione in cui evolve spontaneamente un sistema. Nel Sistema Internazionale si misura in joule su kelvin (J/K). 09/02/2014 p. i. Marco Masi 15

16 PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto moto perpetuo di prima specie. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 16

17 SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Questo principio tiene conto del carattere di irreversibilità di molti eventi termodinamici, quali ad esempio il passaggio di calore da un corpo caldo ad un corpo freddo. Nella formulazione di Clausius, si afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo. Nella formulazione di Kelvin-Planck, si afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato preveda che tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea sia interamente trasformato in lavoro. Non è possibile - nemmeno in linea di principio - realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%. Nella fisica moderna però la formulazione più ampiamente usata è quella che si basa sulla funzione entropia: in un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 17

18 TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Come il secondo principio, a cui è strettamente legato, questo stabilisce l'impossibilità di una certa classe di fenomeni: la formulazione classica di questo principio afferma che non è possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche). Un'altra formulazione più moderna, ma equivalente, afferma che nello stato a minima energia l'entropia ha un valore ben definito che dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 18

19 LEGGE DI TORRICELLI La legge di Torricelli afferma che la velocità di un fluido in uscita da un foro (di sezione molto piccola) è pari al alla radice quadrata del doppio prodotto dell'accelerazione di gravità e della distanza "h" fra il pelo libero del fluido e il centro del foro che è stato praticato: Pertanto riveste importanza la sua applicabilità nel calcolo della portata di un fluido in un circuito aperto che fuoriesce da un orifizio tarato ossia la cui area è nota, ad es. prova della portata per un circuito di estinzione incendi ad idranti. Difatti:Velocità (m/sec) x Area (mq) = Portata mc/h 09/02/2014 p. i. Marco Masi 19

20 PRINCIPIO DI BERNOULLI Il principio di Bernoulli, stabilisce che per un fluido ideale su cui non viene applicato un lavoro, per ogni incremento della velocità si ha simultaneamente una diminuzione della pressione o un cambiamento nell' energia potenziale gravitazionale del fluido. Questo principio è un'applicazione pratica dell'equazione di Bernoulli, sotto riportata, che stabilisce che la somma di tutte le forme di energia di un fluido ideale che scorre lungo un percorso chiuso (linea di flusso) è identica in qualsiasi due punti del percorso. in cui: 09/02/2014 p. i. Marco Masi 20

21 v rappresenta la velocità del fluido lungo la linea di flusso g è l'accelerazione di gravità, h è la quota altimetrica, P rappresenta la pressione lungo la linea di flusso, ρ è la densità del fluido. Riferito ad un elettropompa per esempio a bocca chiusa V = 0 si ha la pressione massima. 09/02/2014 p. i. Marco Masi 21

22 ALLEGATO Nozioni di Fisica e Termodinamica.pdf Trasmissione del Calore.PDF Focus = PRESSIONE ATMOSFERICA.pdf Elementi di Fisica Generale.pdf Libro di Testo HOEPLI Cap_1 Nozioni di Fisica e Chimica.pdf 09/02/2014 p. i. Marco Masi 22