Appunti di Fisica Tecnica Ambientale: concetti base e sistemi chiusi

Introduzione

Lo studente che segue questo corso sarà in grado di:

• Effettuare valutazioni e calcoli riguardanti interazioni energetiche tra sistemi.
• Effettuare valutazioni quantitative relative ai principali parametri di controllo degli ambienti.
• Comprendere le leggi fisiche che descrivono i meccanismi di scambio termico, con particolare riferimento all'irraggiamento termico solare, necessario per lo studio di sistemi passivi e l'uso di risorse rinnovabili.
• Valutare le caratteristiche termofisiche dell'involucro edilizio opaco e trasparente per il calcolo dello scambio di energia termica tra ambiente interno ed esterno e per la verifica della formazione di condensa.

Lo sviluppo di questo insegnamento presuppone l'impiego delle conoscenze già acquisite nel settore della Matematica e della Fisica derivanti dagli studi svolti nella scuola secondaria. La finalità del corso è quella di addestrare lo studente, tenendo anche conto dei successivi moduli d'insegnamento dell'area impiantistica previsti in ciascun corso di laurea, all'impiego di metodologie di valutazione qualitativa e quantitativa che consentano "di creare progetti che soddisfino insieme esigenze estetiche e tecniche, e che sappiano sempre cogliere i legami tra uomo, creazione architettonica ed ambiente", in linea con quanto disposto dalla normativa europea nel settore dell'architettura. Utilizzando le conoscenze acquisite in questo corso e nei moduli successivi, lo studente sarà in grado di valutare e scegliere i componenti degli elementi di confine di un edificio che consentano, anche attraverso l'impiego di un impianto, di assicurare negli ambienti interni le condizioni adatte allo svolgimento delle attività per le quali l'edificio è stato progettato. Risulta quindi ben evidente che l'edificio rappresenta "l'oggetto di studio" ed il suo progetto per gli aspetti specialistici che riguardano il settore disciplinare della Fisica tecnica e degli Impianti di climatizzazione. L'edificio è un sistema complesso e dal punto di vista energetico pone problemi rilevanti che debbono essere affrontati e risolti in sinergia con le esigenze del progetto architettonico. Per un lungo periodo, nella storia dell'edilizia residenziale e non, sembrava che i sistemi meccanici di climatizzazione potessero liberare il progettista dall'onere di assicurare un adeguato microclima interno. Spesso, questa ideologia, ha condotto alla realizzazione di edifici surriscaldati dalla radiazione solare ma resi poi confortevoli da impianti di climatizzazione dagli elevati costi di esercizio e fortemente inquinanti. Questo tipo di approccio, errato ma comprensibile quando i costi dell'energia erano bassi, è ora fortemente criticato anche per i problemi di inquinamento ambientale che ha prodotto. L'orientamento deve essere ora rivolto verso modelli che prevedano una progettazione degli edifici ed una gestione delle risorse energetiche che sia sostenibile. Ciò significherà sempre più una riduzione dei carichi termici che caratterizzano ciascun edificio ed una scelta degli impianti di condizionamento molto oculata dal punto di vista dell'efficienza energetica. Tale atteggiamento implica una integrazione della progettazione architettonica con quella impiantistica che deve muovere già dal progetto preliminare e procedere basandosi su un lavoro di gruppo altamente integrato. Il quadro e la prospettiva appena esaminati mettono in evidenza che le conoscenze dell'architetto in questo settore disciplinare sono di notevole ausilio per favorire l'instaurarsi di una metodologia di lavoro, nello sviluppo del progetto, che riesca a coinvolgere e coordinare opportunamente tutte le necessarie competenze.

Concetti e definizioni di base

In questa prima parte delle lezioni sarà definita e brevemente commentata la terminologia essenziale per affrontare lo studio di alcuni argomenti di termodinamica e trasmissione del calore.

Approccio macroscopico

Nelle considerazioni che saranno svolte in questo Corso la materia sarà vista come un continuo, ignorandone la natura particellare: si parla in tal caso di approccio macroscopico. Ciò comporterà un notevole snellimento nella trattazione, che consentirà di raggiungere gli obiettivi prefissati in accordo con l'evidenza sperimentale.

Leggi fisiche generali e particolari

Le leggi fisiche saranno classificate come leggi generali o leggi particolari (dette anche relazioni costitutive o fenomenologiche). Le prime sono caratterizzate dall'applicabilità indipendente dal mezzo in esame, le seconde, invece, poiché descrivono secondo un modello il comportamento del mezzo, sono strettamente legate alla sua natura ed hanno un limite d'applicabilità che dipende dal modello formulato. Sono leggi generali: le leggi di conservazione della massa, dell'energia, della carica elettrica, la seconda legge della termodinamica, la legge di gravitazione universale. Sono leggi particolari o relazioni costitutive: la legge dell'elasticità di Hooke, le leggi della viscosità di Newton e di Stokes, la legge dei gas perfetti, la legge dell'elettricità di Ohm. Durante il corso si studieranno due leggi generali: quella di conservazione della massa e la prima legge della termodinamica; tali leggi si applicheranno a modelli molto semplificati di sistemi che ben si adattano alle finalità di questo corso.

Sistema ed ambiente

Un sistema termodinamico è costituito dalla materia contenuta all'interno di un confine che sarà detto superficie di controllo (S.C.). La superficie di controllo è, in generale, una superficie geometrica immaginaria, tuttavia essa può, del tutto o in parte, coincidere con superfici reali. In Fig.1.1 sono riportati tre semplici esempi. Il sistema è appunto costituito dalla materia contenuta all'interno dei confini; questi, nei tre casi della figura, sono reali: le pareti in vetro della clessidra, quelle in plastica della bottiglia e quelle della valigetta. La definizione del sistema implica anche quella dell'ambiente che è costituito da ciò che è al di fuori del confine del sistema.

Ambiente contine sistema a) clessidra d) Valigetta b) bottiglia Fig. 1.1

Sistema chiuso, sistema aperto e sistema isolato

Negli esempi riportati in Fig.1.1 è ben evidente che in ciascun caso i confini del sistema sono 3realizzati in modo da non consentire il passaggio di quanto contenuto all'interno verso l'esterno o viceversa: la clessidra per com'è realizzata, la bottiglia e la valigetta purchè siano chiuse. In tutti e tre i casi si parla di sistema chiuso. Il contenuto del sistema chiuso viene detto massa di controllo (M.C.). Lo studio di tale tipo di sistema coincide quindi con quello della massa di controllo.

Ingresso liquido Uscita aria Ingresso aria Uscita liquido d) asciugacapelli imbuto e) Fig. 1.2

In Fig. 1.2 sono invece riportati altri due esempi. Nei due casi illustrati, una parte dei confini dei due oggetti è permeabile alla materia ed il sistema si dice aperto. Lo studio non può essere condotto riferendosi alla massa contenuta all'interno dei sistemi, poiché essa può entrare e/o uscire attraverso i confini; pertanto ci si riferisce al volume attraversato dal fluido, detto volume di controllo, delimitato sia dalle pareti reali, impermeabili al flusso di materia che dalle superfici permeabili che consentono l'ingresso e l'uscita di materia. I sistemi termodinamici che si esamineranno nel seguito non saranno ovviamente quelli illustrati negli esempi precedenti, bensì rappresenteranno componenti del sistema edificio- impianto. In via del tutto generale, i sistemi chiusi ed aperti possono essere rappresentati come in fig.1.3. Nel seguito, quindi, lo studio dei sistemi chiusi sarà condotto secondo l'approccio della massa di controllo, quello dei sistemi aperti secondo l'approccio del volume di controllo.

C M.C. V.C. Sistema chiuso Sistema aperto Fig. 1.3 4

Proprietà, stato, equazione di stato

La descrizione macroscopica di un sistema è fatta in termini di proprietà fisiche che possono essere in linea di principio misurate con l'aiuto di appropriati strumenti. Le particolari classi di fenomeni studiati non richiedono la conoscenza di tutte le proprietà fisiche che caratterizzano il sistema termodinamico in osservazione, bensì ciascuna analisi richiederà un numero limitato e in genere piuttosto piccolo, di proprietà legate alla particolare fenomenologia. Ad esempio, nello studio dei sistemi che saranno esaminati nel seguito sarà necessario conoscere i valori della pressione, del volume e della temperatura.

Proprietà estensive, intensive e specifiche

Si consideri il parallelepipedo in Fig.1.4, costituito di materiale omogeneo ed isotropo, caratterizzato cioè dall'avere un identico valore delle proprietà in ogni punto ed in ogni direzione. Si supponga che la sua massa sia di 3,0 kg, il volume di 300 litri e la temperatura di 25 °℃. Se si suppone di dividere, come mostrato in figura, il parallelepipedo in tre parti uguali, ciascuno dei parallelepipedi ottenuti avrà un volume ed una massa pari a 1/3 dei valori totali mentre la temperatura per i tre sottosistemi sarà sempre di 25°℃.

Vtot. = 300 litri mtot. = 3,0 kg T= 25℃ V1 = 100 litri mı = 1,0 kg Tı= 25°C V2 = 100 litri m2= 1,0 kg T2= 25°℃ V3 = 100 litri m3 = 1,0 kg T3= 25°℃ Fig.1.4

Tra le grandezze riportate in figura valgono le relazioni: Vtot = V1 + V2+ V3 mtot = m1 + m2 + m3 T = T1 = T2 = T3 Si può allora affermare che il volume e la massa dipendono dall'estensione del sistema. Queste proprietà sono pertanto definite estensive e ad esse è applicabile la proprietà additiva. La temperatura è invece una proprietà intensiva: il suo valore, infatti, resta costante al variare dell'estensione del sistema. Se si divide una proprietà estensiva per la massa si definisce la relativa proprietà specifica. Essa non dipende più dall'estensione del sistema, non gode della proprietà additiva e soddisfa la definizione di proprietà intensiva. Indicheremo con le lettere maiuscole le proprietà estensive e con le corrispondenti minuscole quelle specifiche. Sia pertanto Y una generica proprietà estensiva; si ha:

Y 𝑦 m in cui y è la proprietà specifica corrispondente alla proprietà estensiva Y, ed m è la massa. 5