Elementi di psicrometria, condizionamento dell’aria e benessere ambientale
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Elementi di Fisica Tecnica Ambientale
Prof. Piercarlo Romagnoni
Dorsoduro 2206 – 30123 Venezia
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Una premessa
Simbologia
∆ = differenza
Esempio: ∆t = t2 – t1
d = differenziale/ infinitesimo
dV = volume infinitesimo
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Sistema termodinanico
porzione di spazio individuata da una superficie inviluppo di
confine, reale o immaginaria.
Sistema aperto
passaggio di materia attraverso i confini
controllo del sistema attraverso il volume
Sistema chiuso
non c’è passaggio di materia
controllo del sistema attraverso la massa
I confini possono essere mobili o fissi, rigidi o flessibile
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esempi
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E’ un sistema E’ un sistema aperto o chiuso?
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Un sistema termodinamico può essere studiato nel suo
complesso come un tutt’uno senza considerare le singole
particelle elementari che lo compongono, utilizzando
grandezze misurabili e direttamente suggerite dai nostri sensi.
E’ questo quello che viene chiamato approccio
macroscopico: esso costituisce il metodo di analisi tipico
dalla termodinamica classica. dalla termodinamica classica.
fluidi termodinamici: materia caratterizzata da una
composizione chimica uniforme
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un sistema possiede numerose caratteristiche: alcune di
esse (come per esempio il colore) sono assolutamente
irrilevanti dal punto di vista della termodinamica; altre
risultano, invece, particolarmente significative.
Queste ultime caratteristiche vengono classificate come
proprietà termodinamiche.
E’ possibile ammettere che lo stato di un sistema sia noto quando si possono conoscere i valori assunti, in un certo
istante, da tutte le sue proprietà termodinamiche. Le
proprietà termodinamiche del sistema sono infatti delle
funzioni univoche dello stato ovvero sono assolutamente
indipendenti dai processi che il sistema ha subito per raggiungere quello stato.
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Le proprietà termodinamiche possono essere classificate
come intensive ed estensive.
Sono dette intensive le proprietà il cui valore non dipende dalla massa del sistema come, per esempio, la pressione.
Sono dette estensive le grandezze di stato il cui valore Sono dette estensive le grandezze di stato il cui valore
dipende dalla massa del sistema come, per esempio, il volume.
Stato di equilibrio: meccanico
chimico termodinamico
termico
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Molti dei sistemi termodinamici possono essere descritti
attraverso le tre grandezze
temperatura, volume, pressione
E’ quindi importante avere chiaro il loro significato e le loro
unità di misura.
volume [m3]volume [m3]
Il volume è quella grandezza che individua la porzione di spazio occupata da una certa quantità di materia
b
c
a
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La Forza… ciò che è in grado di modificare la forma, lo stato di quiete
o di moto di un sistema
Unità di misura: Newton [N]
Isaac Newton (1642 – 1727)Isaac Newton (1642 – 1727)
IIa legge della dinamica
F = m a
Sibi gratulentur mortalestale tantumque exstitissehumani generis decus
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Il metodo newtoniano consisteva in unprocedimento analitico, che procede dagli effettialle cause, a cui succede un procedimento sintetico,che consiste nell'assumere le cause generaliindividuate come ragione dei fenomeni che nederivano.
A questi due procedimenti Newton applica quattroregole fondamentali, da lui così definite:regole fondamentali, da lui così definite:• non dobbiamo ammettere spiegazioni superflue;• a uguali fenomeni corrispondono uguali cause;• le qualità uguali di corpi diversi debbono essereritenute universali di tutti i corpi;• proposizioni inferite per induzione in seguito adesperimenti, debbono essere considerate vere finoa prova contraria.
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Pressione [Pa]Essa si definisce come l’azione di una forza su di una
superficie.
Un semplice esempio può essere quello della forza peso esercitata da un oggetto appoggiato su di un pavimento.
Esso eserciterà una certa forza distribuita su di una
superficie ossia eserciterà una certa pressione sul
pavimento.
“La pressione corrisponde alla
forza che agisce sull’unità di
superficie in direzione
perpendicolare ad essa”
Si misura in Pascal (Forza/area)
Forza = F Area = A
Pressione = p
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temperatura
“La temperatura di un sistema è quella sua proprietà che
determina se esso sia o non sia in equilibrio termico con altrisistemi”.
Un ulteriore importante osservazione che riguarda la
temperatura e che ricaviamo dall’esperienza può esseretemperatura e che ricaviamo dall’esperienza può essere
formalizzata attraverso quello che va sotto il nome diPrincipio Zero della Termodinamica:
“Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono in
equilibrio termico anche tra di loro”.
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massa
Essa intuitivamente può essere definita come la misura
della quantità di materia di un corpo.
Una definizione più precisa può essere data a partire dalla
dinamica dei corpi e in particolare riferendosi alla seconda
legge della dinamica
F = ma
La massa, m, di un corpo può essere quindi definita
proprio come la costante di proporzionalità tra forza
applicata su di esso e accelerazione sviluppata.
Se a = g = 9,81 m/s2 F = Fpeso
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Una grandezza derivata legata alla massa è la densità, ρ,
la quale rappresenta la massa dell’unità di volume:
=
3m
kg
V
mρ
Densità di alcune sostanze
Sostanza densità (a 293 K), [kg/m3]
aria 1,21
etanolo 783
petrolio 820 petrolio 820
olio 910
acqua 1000
alluminio 2700
ferro 7870
piombo 11340
mercurio 13560
oro 19300
platino 21450
Volume specifico v [m3/kg]:
v = 1/ρ
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portata di massa.
Consideriamo un fluido che scorre all'interno di un
condotto con sezione di forma qualsiasi.
Si definisce portata la massa di fluido che transita,
nell'unità di tempo, attraverso una sezione S normale alla
direzione di moto di un tubo o condotto.
kgm
∆=
s
kgmm
τ&
∆
∆=
s
mVV
3
τ&
portata volumetrica A
2
1 t1
t2 = t1+1s
w
Aw ==ρ
mV
&&
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em&
um&
zi
zj Σ
Conservazione della massa
=
−
tempodiunità'nell
controllodi
volumenel
massadinetta
variazione
controllodi
volumedal
uscente
massadi
totaleportata
controllodi
volumenel
entrante
massadi
totaleportata
Piano di riferimento
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Definire una grandezza fisica significa descriverne in modo
univoco ed oggettivo il significato concettuale.
Misurare una grandezza fisica significa attribuire ad essa un preciso valore numerico confrontandola con una grandezza
dello stesso tipo che si prende come riferimento e a cui si
attribuisce valore unitario.
E’ quindi necessario fissare un’unità di misura, ossia un campione a cui riferirsi, e una modalità di misura, ovvero
una serie di operazioni che devono essere compiute per
stabilire il rapporto tra la grandezza da misurare ed il
campione.
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Le grandezze definite a prescindere da qualsiasi altra grandezza sono dette grandezze fondamentali, quelle che si definiscono, attraverso prodotti e rapporti, a partire da altre grandezze sono dette grandezze derivate.
l’unità di misura delle grandezze fondamentali deve essere individuata attraverso un campione opportunamente scelto.opportunamente scelto.
per le grandezze derivate si può fare riferimento alle unità di misura delle grandezze fondamentali da cui derivano. Ad esempio, l’unità di misura del volume [m3], prodotto di un’area per una lunghezza, si ottiene moltiplicando l’unità di misura dell’area [m2] per quella della lunghezza [m].
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L’insieme delle unità di misura delle grandezze fisiche scelte
come fondamentali e mediante le quali si possono definire le
unità di tutte le altre grandezze fisiche derivate costituisce un
sistema di unità di misura.
Il sistema cui si farà qui riferimento è il Sistema Internazionale (S.I.).
Esso è un sistema omogeneo (grandezze fondamentali da cui si derivano altre grandezze)
coerente
assoluto (unità di misura invariabili)
decimale (multipli e sottomultipli in potenze di 10).
E’ in vigore dal 1982 (DPR 12 Agosto 1982)
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Tabella 1.2. Definizione delle unità di misura fondamentali del sistema S.I.
grandezza
unità di misura
definizione
Lunghezza
metro [m]
il metro corrisponde alla distanza percorsa nel vuoto dalla luce in
1/299792458 secondi.
Massa
chilogrammo [kg]
il chilogrammo è la massa uguale a quella del campione primario N.1,
cilindro di platino-iridio conservato a Sévres presso il B.I.P.M. (Bureau
Internationale Poids et Mesures);
Intervallo di tempo
secondo [s]
il secondo è l’intervallo di tempo che corrisponde a 9192631770 cicli
della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini
dello stato fondamentale dell’isotopo 133 del cesio.
Intensità di corrente
elettrica
l’ampere è l’intensità di corrente costante che, se mantenuta in due
conduttori paralleli, rettilinei, di lunghezza infinita, di sezione circolare
trascurabile rispetto alla lunghezza e posti alla distanza di un metro l’uno
ampere [A]
trascurabile rispetto alla lunghezza e posti alla distanza di un metro l’uno
dall’altro nel vuoto, produce tra i conduttori una forza eguale a 2 x 10-7 N
per metro di lunghezza.
Intervallo di
temperatura
kelvin [K]
il kelvin è la frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del
punto triplo dell’acqua.
Intensità luminosa
candela [cd]
dopo la XVI Conferenza Generale Pesi e Misure del 1979 la definizione
di candela è: l’intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente
che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540 1012 Hz e la
cui intensità energetica in tale direzione è di 1/683 W/sr.
Quantità di materia
mole [mol]
la mole, è la quantità di materia di un sistema che contiene tante unità
elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni ecc.) quanti sono esattamente
gli atomi contenuti in 0,012 kg di carbonio-12.
Fonte: NIST Guide for the Use of the International System of Units (SI) – 1995
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Tabella 1.1. Prefissi delle unità di misura nel sistema S.I.
multipli prefissi simboli sottomultipli prefissi simboli
1024 yotta Y 10-1 deci d
1021 zetta Z 10-2 centi c
1018 exa E 10-3 milli m
1015 peta P 10-6 micro µ
1012 tera T 10-9 nano n
109 giga G 10-12 pico p
106 mega M 10-15 femto f
103 kilo k 10-18 atto a
102 etto h 10-21 zepto z
101 deca da 10-24 yocto y
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Per l’energia termica
Nel Sistema Tecnico la chilocaloria viene definita come la quantità di calore necessaria per elevare di 1 °C (da 14,5°C a 15,5°C) la temperatura di una massa di acqua pari a 1 kg.
Nel Sistema Anglosassone la British Thermal Unitviene definita come la quantità di calore necessaria per elevare di 1 °F la temperatura di una massa di acqua pari a 1 libbra.
1 BTU/(lb °F) = 1 kcal/( kg °C)
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Tabella 1.5. Alcuni fattori di conversione tra sistemi di unità di misura
Grandezza per convertire
da a
moltiplicare per
lunghezza ft m 0,3048
massa lb kg 0,45359
tempo h s 3600
accelerazione m/ h2 m/ s2 7,7160 10-8
portata di massa lb/h kg/ s 1,260 10-4
densità lb/ft3 kg/ m3 16,018
forza lbf
kgf
N
N
4,4482
9,8066 kgf N 9,8066
pressione kgf/ cm2 N/ m
2 98066
quantità di calore Btu
kcal
J
J
1055,07
4186,8
potenza termica Btu/ h
kcal/ h
W
W
0,29307
1,1630
calore specifico Btu/ (lb °F)
kcal/ (kg °C)
J/ (kg K)
J/ (kg K)
4186,8
4186,8
conduttività termica Btu/ (ft h °F)
kcal/ (m h °C)
W/ (m K)
W/ (m K)
1,73078
1,163
viscosità dinamica lb/ (ft h) kg/ (m s) 4,1342 10-4
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Fattori di conversione tra unità di misura della pressione.
Pa atm bar mm Hg
1 Pa 1 9,87 10-6
10-5
7,5 10-3
1 atm 101325 1 0,01325 760
1 bar 100000 0,987 1 750
1 mm Hg (torr) 133,32 1,31 10-3
1,33 10-3
1 1 mm Hg (torr) 133,32 1,31 10-3
1,33 10-3
1
1 mbar 100 0,987 10-3
0,132 10-3
750 10-3
1 psi 6894,8 6,8 10-2
6,89 10-2
51,7
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Altri fattori di conversione
La temperaturada °C a °F: [°F] = 1,8 · [°C] + 32
da °C a K: [K] = [°C] + 273,15
l’energia1 kWh = 3,6 MJ 1 kWh = 3,6 MJ 1 tep = 41,9 GJ
la potenza meccanica1 CV = 735,5 W1 HP = 746 W
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Altri fattori di conversione
1 ft = 12 in1 yd = 3 ft � 100 yd ≈ 91,44 m1 mi = 1609 m
1 nautical mile = 1852 m
1 knot = 0,5144 m/s = 1,852 km/h
1 carat = 0,2 g
1 lb = 0,453 kg1 oz = 1/16 lb
1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m3
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Esercizi
Trovare i seguenti fattori di conversione
1 ft2 =_____ m2
1 K = ______°F
1 HP = _____ CV
1 kWh = _____ tep
105 carati = _____ g