Elementi di Fisica Tecnica Ambientale

Prof. Piercarlo Romagnoni

Dorsoduro 2206 – 30123 Veneziapierca@iuav.it

Nel 2016, all’interno della comunità europea (EU), i consumi domestici dienergia ammontavano a circa ¼ del consumo finale totale di energia.

La maggior parte dei consumi è dovuta al gas naturale (36.9%) eall’elettricità (24.4%).

Le energie rinnovabili coprono il 15.9% dei consumi, i prodotti derivatidal petrolio coprono l’11.6% mentre solo una piccolo percentuale(3.3%) è ancora coperta da combustibili solidi.

Un focus sugli edifici residenziali

D. Lgsl. 192/200560 -100 kWh/m2a

Legge 373 / 1976170 kWh/m2a

Legge 10 / 1991 140 kWh/m2a

Nessuna legge 200-250 kWh/m2a

Prestazioni energetiche degli edifici

Anni 1950-1980

Anni 1980 -1990

Anni 1990 -2005

Anni 2005-2013

Anni 2013 - Legge 90 / 2013 e Decreti attuativi Nzeb

Intensità energetica media negli edifici commerciali nel 1990

0

100

200

300

400

500

600

U.S. Sweden Japan France Denmark Canada

En

erg

y In

ten

sit

y (k

Wh

/m2 /y

r)District HeatOther FuelsOilGasElectric HeatingCooling (HVAC)LightingOther Electricity

Fonte: Harvey (2006, A Handbook on Low-energy Buildings and District-Energy Systems, Earthscan, London)

Come ridurre il consumo energeticodegli edifici

• Riduzione della richiesta di energia

• Fornire l’energia richiesta nel modo più efficiente possibile

Come risparmiare energia

1. Sfruttare passivamente il clima:

controllo solare

illuminazione naturale

ventilazione naturale

tipologia e dimensione delle componenti vetrate

schermature

gestione aperture

Come risparmiare energia

2. Ridurre le dispersioni di calore:

resistenza termica dell’involucro edilizio

ridurre le infiltrazioni

forma compatta (basso S/V)

uso materiali isolanticorrezione ponti termici

bassa permeabilità degli infissi

S/ V = 0,6 m-1

d = 10 mS/ V = 0,4 m-1 S/ V = 0,45 m-1

Come risparmiare energia

3. Riduzione delle perdite energetiche

impianto efficiente

4. Utilizzo di fonti di energia rinnovabili

Attenzione: verifica operativa

Monitoraggio dei risultati

emissioneregolazionedistribuzioneproduzione

del calore

ventilazione meccanica controllata

Bilancio energetico dell'edificio (attuale)

INVERNO

ESTATE

Fabbisogno Qh

Guadagni netti hQg

Trasmissione QT

Ventilazione QV

Fabbisogno Qh

Ventilazione QV

Trasmissione QT

Guadagni netti hQG

Bilancio energetico dell'edificio (futuro)

Fabbisogno Qh

Guadagni netti hQGTrasmissione QT

Ventilazione QV

INVERNO

Fabbisogno Qh

Ventilazione QV

Trasmissione QT

Guadagni netti hQG

ESTATE

da: www.healtyheating.com

ObiettivoIndoor Environmental Quality

I sistemi oggetto di studio

Sistema termodinanico

porzione di spazio individuata da una superficie inviluppo di confine, reale o immaginaria.

Sistema apertopassaggio di materia attraverso i confini

controllo del sistema attraverso il volume

Sistema chiusonon c’è passaggio di materia

controllo del sistema attraverso la massa

I confini possono essere mobili o fissi, rigidi o flessibile

Ulteriori esempi nell’edificio

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.

fluidi termodinamici: materia caratterizzata da una composizione chimica uniforme

un sistema possiede numerose caratteristiche: alcune diesse (come per esempio il colore) sono assolutamenteirrilevanti dal punto di vista della termodinamica; altrerisultano, invece, particolarmente significative.

Queste ultime caratteristiche vengono classificate comeproprietà termodinamiche.

E’ possibile ammettere che lo stato di un sistema sia notoquando si possono conoscere i valori assunti, in un certoistante, da tutte le sue proprietà termodinamiche. Leproprietà termodinamiche del sistema sono infatti dellefunzioni univoche dello stato ovvero sono assolutamenteindipendenti dai processi che il sistema ha subito perraggiungere quello stato.

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 dipende dalla massa del sistema come, per esempio, il volume.

Stato di equilibrio: meccanicochimico termodinamicotermico

Una premessa

Simbologia

= differenza

Esempio: t = t2 – t1

d = differenziale/ infinitesimo

dV = volume infinitesimo

Molti dei sistemi termodinamici possono essere descritti attraverso le tre grandezzetemperatura, volume, pressione

E’ quindi importante avere chiaro il loro significato e le loro unità di misura.

volume [m3]Il volume è quella grandezza che individua la porzione di spazio occupata da una certa quantità di materia

b

c

a

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)

IIa legge della dinamica

F = m a

Sibi gratulentur mortalestale tantumque exstitissehumani generis decus

forze agenti sulla superficie o sui confini del corpo inoggetto (forze di superficie, surface forces)

forze che agiscono sul corpo (body forces)

Esistono in natura forze che sono generate da«campi» esterni al corpo

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:• 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.

Somma e sottrazione di Forze

F2F1

F3 = F1 + F2

F2

-F2

F1

F3 = F1 + (- F2)

a

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 allaforza che agisce sull’unità di superficie in direzioneperpendicolare ad essa”

Si misura in Pascal (Forza/area)

Forza = F Area = A

Pressione = p

temperatura

“La temperatura di un sistema è quella sua proprietà chedetermina se esso sia o non sia in equilibrio termico con altrisistemi”.

Un ulteriore importante osservazione che riguarda latemperatura e che ricaviamo dall’esperienza può essereformalizzata attraverso quello che va sotto il nome diPrincipio Zero della Termodinamica:

“Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono inequilibrio termico anche tra di loro”.

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

Una grandezza derivata legata alla massa è la densità, , la quale rappresenta la massa dell’unità di volume:

3m

kg

V

mDensità di alcune sostanze

Sostanza densità (a 293 K), [kg/m3]

aria 1,21

etanolo 783

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/

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.

s

kgmm

s

mVV

3

portata volumetrica

A

2

1 t1

t2 = t1+1s

w

Aw m

V

em

um

zi

zj

tempodiunità'nell

controllodi

volumenel

massadinetta

variazione

controllodi

volumedal

uscente

massadi

totaleportata

controllodi

volumenel

entrante

massadi

totaleportata

Conservazione della massa

Piano di riferimento

Definire una grandezza fisica significa descriverne in modounivoco ed oggettivo il significato concettuale.

Misurare una grandezza fisica significa attribuire ad essa unpreciso valore numerico confrontandola con una grandezzadello stesso tipo che si prende come riferimento e a cui siattribuisce valore unitario.

E’ quindi necessario fissare un’unità di misura, ossia uncampione a cui riferirsi, e una modalità di misura, ovverouna serie di operazioni che devono essere compiute perstabilire il rapporto tra la grandezza da misurare ed ilcampione.

Le grandezze definite a prescindere da qualsiasi altragrandezza sono dette grandezze fondamentali, quelle che sidefiniscono, attraverso prodotti e rapporti, a partire da altregrandezze sono dette grandezze derivate.

l’unità di misura delle grandezze fondamentali deve essereindividuata attraverso un campione opportunamente scelto.

per le grandezze derivate si può fare riferimento alle unità dimisura delle grandezze fondamentali da cui derivano.Ad esempio, l’unità di misura del volume [m3], prodotto diun’area per una lunghezza, si ottiene moltiplicando l’unità dimisura dell’area [m2] per quella della lunghezza [m].

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)

coerenteassoluto (unità di misura invariabili)

decimale (multipli e sottomultipli in potenze di 10).

E’ in vigore dal 1982 (DPR 12 Agosto 1982)

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

ampere [A]

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

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

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

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

Per l’energia termica

Nel Sistema Tecnico la chilocaloria viene definita come la quantità di calore necessaria per elevare di 1 C (da 14,5C a 15,5C) 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)

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

pressione kgf/ cm2 N/ m2 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

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 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

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 tep = 41,9 GJ

la potenza meccanica1 CV = 735,5 W1 HP = 746 W

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

Esercizio

Trovare i seguenti fattori di conversione

1 ft2 =_____ m2

1 K = ______°F

1 m3 = _____ ft3

1 atm = _____ Pa

105 carati = _____ g

1000 kWh = _________Tep