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Il calore come forma di energia prof. ing. Piercarlo Romagnoni Università IUAV di Venezia Dipartimento della Ricerca Dorsoduro, 2206 – 30123 Venezia
Il calore come forma di energia
prof. ing. Piercarlo Romagnoni
Università IUAV di Venezia
Dipartimento della Ricerca
Dorsoduro, 2206 – 30123 Venezia
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
qint
qest < qint
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!!!
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
Misura dell’energia termica
Termica La kilocaloria [kcal]: energia necessaria per riscaldare 1 kg di H2O distillata da 14,5°C a 15,5°C
alla pressione p = 1 atm. Joule 1 kcal = 4186 J kilowattora 1 kWh = 3,6 · 106 J = 3,6 MJ 1 kWh = 860 kcal
Misura dell’energia termica (combustione) Petrolio, metano e carbone
1 TEP = 10.000.000 kcal = 11.600 kWh = 41.76 GJ 1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m3
1000 kg (di Petrolio) = 1 TEP
Pci, petrolio = 10180 kcal/ kg = 11,6 kWh/kg Pci, carbone = 7000 kcal/ kg = 8,14 kWh/kg Pci, metano = 8900 kcal/m3 = 10,35 kWh/m3
Misura dell’energia termica: metano
Standard metro cubo [Sm3]: è la massa di gas contenuta in 1 m3 alla pressione atmosferica alla temperatura q = 15°C
Pci, metano = 34,5 MJ/ Sm3
1000 Sm3 = 0,826 tep
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 = 101325 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.
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
Misura della temperatura Una scala di temperatura molto diffusa è quella Celsius o centigrada. In essa l’astronomo svedese A. Celsius (1701-1744) 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].
Un’altra scala, molto utilizzata in ambiente anglosassone, è invece quella Fahreneit. Nella sua definizione, D. Fahreneiht (1686-1736) 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].
temperatura A
temperatura B
8,1
32FC
qq 32C8,1F qq
Conversione della temperatura
212
32
0
50
100
150
200
250
-20 0 20 40 60 80 100 120
°C
°F
x
y
La temperatura assoluta: il Kelvin [lord Kelvin, W. Thomson (1824-1907)] La scala è costruita basandosi sul concetto di rendimento di una macchina motrice reversibile:
hrev = f(TH, TL)
Il solo fattore che influenza l’efficienza termica di un ciclo reversibile è la temperatura delle due sorgenti (TH > TL) E quindi:
H
L
Q
Q 1h
),( LH
revH
L TTfQ
Q
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
LLH
T
TTTf 1),(
H
L
H
L
H
L
H
L
T
T
Q
Q
T
T
Q
Q
11
revTfixed
T
revTfixed
Tfixed
Q
QT
Q
QTT
16,273
T [K]
QT/QTfixed 1
273,16
La scala Kelvin è basata sul punto fisso: il Punto Triplo dell’Acqua TT = 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: DT [K] =DT[°C] mentre DT[°C] = 5/9 DT[°F]
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.
)( if TT
QC
-
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
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)
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)
La potenza termica scambiata da una portata di fluido che subisce una variazione di temperatura: qi = temperatura di ingresso qu = temperatura di uscita c = calore specifico del fluido [J/(kg K)] = densità del fluido [kg/m3]
= portata di massa [kg/s] = portata volumetrica [m3/s]
)(cV)(cmq uiui qqqq
qi
qu
m
V
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)
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)
Irraggiamento – le superfici con bassa emissività scambiano poca energia
e1, T1
e1>e2 T1≠T2
Per la valutazione dello scambio termico attraverso un elemento in regime stazionario (indipendenza dal tempo) è possibile scrivere: e trattare i singoli materiali (o strati di una parete) come resistenze termiche Conduttive Rt = s/l
Convettive Rt = 1/h Radiante U = trasmittanza termica della struttura =1/ Rtot
)()(
eitotale
eitrasmesso AU
RAq qq
)()(
111
22
2121
2
2
121
1
TTTT
FRt
e
e
e
e
La trasmittanza termica U [W/(m2 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/(m2 K)]
Qri
Qci
Qcond
Qre
Qce
ambiente internoaria temperatura tai
tai > tae ambiente esterno
aria temperatura tae
Ambiente interno qi = 20°C
Ambiente esterno qe = 0°C
Qualità dell’involucro
L’uso di un pacchetto isolante nelle pareti opache garantisce minori dispersioni.
Uso di vetro a più strati
Materiale l [W/(m K)] [kg/m3]
Lana di roccia 0,035 – 0,05 20 – 140
Lana di vetro 0,035 – 0,05 20 – 140
Perlite espansa 0,05 -0,055 90 - 100
Vetro cellulare 0,045 – 0,06 125 - 150
Argilla espansa 0,130 – 0,25 400 - 1800
Fibra di cellulosa 0,045 35 – 60
Sughero espanso 0,04 – 0,05 120
Fibra di legno
(pannello)
0,050 -0,06 130 - 270
Fibra di legno
mineralizzato
0,09 360 - 570
Paglia e giunco 0,06 – 0,130 -
Lana di pecora 0,04 -
EPS pol. Espanso 0,035 – 0,04 15 – 30
XPS pol. estruso 0,030 - 0,04 20 - 50
PUR poliuretano 0,020 – 0,035 30 - 35
Il vetro: il controllo solare
La trasmissione luminosa non è la trasmissione energetica
Parametri ottici: te, e, tv, v
0
20
40
60
80
100
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Lunghezza d'onda (nm)
Tra
sm
itta
nza
(%
)
Chiaro
Grigio
Bronzo
Verde
visibile infrarossoUV
tv
visibile
te
Solare: visibile + IR + UV
Calore e forma
S/ V = 0,6 m-1
d = 10 m
S/ V = 0,4 m-1 S/ V = 0,45 m-1
S/ V = 0,45 m-1
Forme più compatte consentono minori dispersioni