UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO IIUNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
Dott. Ing. Giuseppe GraziusoDott. Ing. Giuseppe Graziuso
Napoli 08/01/2010Napoli 08/01/2010
CORSO DI LAUREA IN TECNICHE DELLA CORSO DI LAUREA IN TECNICHE DELLA PREVENZIONE NELL’AMBIENTE E NEI PREVENZIONE NELL’AMBIENTE E NEI
LUOGHI DI LAVOROLUOGHI DI LAVORO
FISICA TECNICA AMBIENTALEFISICA TECNICA AMBIENTALELEZIONE IILEZIONE II
Anno Accademico 2009/2010Anno Accademico 2009/2010
FACOLTA’ DI MEDICINA E CHIRURGIAFACOLTA’ DI MEDICINA E CHIRURGIA
Ing. G.Graziuso 2
OBIETTIVO DEL CORSOOBIETTIVO DEL CORSO
FORNIRE LE NOZIONI FONDAMENTALI RELATIVAMENTE A TERMODINAMICA, BENESSERE AMBIENTALE, ACUSTICA,
ILLUMINOTECNICA
Ing. G.Graziuso 3
PROGRAMMA DEL CORSOPROGRAMMA DEL CORSO
IL CORSO SI ARTICOLA IN CINQUE SEZIONI:
ELEMENTI DI TERMODINAMICA; ELEMENTI DI TRASMISSIONE DEL
CALORE; BENESSERE AMBIENTALEBENESSERE AMBIENTALE; ACUSTICA; ILLUMINOTECNICA;
Ing. G.Graziuso 4
TERMODINAMICA
SISTEMI TERMODINAMICI; SOSTANZE PURE, GAS, VAPORI; SISTEMI APERTI; TRASFORMAZIONI DELL’ARIA
UMIDA; DIAGRAMMA PSICROMETRICO;
BENESSERE TERMOIGROMETRICO;
PROGRAMMA I SEZIONEPROGRAMMA I SEZIONE
Ing. G.Graziuso 5
INTRODUZIONE ALLA TERMODINAMICA:TERMINOLOGIA
TERMODINAMICA
LA TERMODINAMICA È LA SCIENZA CHE STUDIA LE MODIFICAZIONI SUBITE DA UN
SISTEMASISTEMA IN CONSEGUENZA DEL TRASFERIMENTO DI ENERGIA
PRINCIPALMENTE SOTTO FORMA DI CALORECALORE E LAVOROLAVORO.
Ing. G.Graziuso 6
TERMINOLOGIA
SISTEMA E AMBIENTE; CARATTERISTICHE DI UN SISTEMA; APPROCCIO MACROSCOPICO; PROPRIETÀ TERMODINAMICHE
(TERMOSTATICHE); STATO TERMODINAMICO ED EQUAZIONI DI
STATO; TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE; CALORE E LAVORO;
Ing. G.Graziuso 7
IL IL SISTEMA È LA QUANTITÀ È LA QUANTITÀ DI MATERIA O LA REGIONE DI MATERIA O LA REGIONE
DI SPAZIO OGGETTO DI DI SPAZIO OGGETTO DI STUDIO.STUDIO.
TUTTO CIÒ CHE ÈESTERNO AL SISTEMA
COSTITUISCE
L’AMBIENTE.
LA SUPERFICIE REALE OIMMAGINARIA CHE SEPARA IL SISTEMA DALL’AMBIENTE È
LA SUPERFICIE DI SUPERFICIE DI CONTROLLOCONTROLLO.
SISTEMA E AMBIENTE
AmbienteAmbienteAmbienteAmbiente
Superficie di controlloSuperficie di controlloS.C.S.C.
Superficie di controlloSuperficie di controlloS.C.S.C.
SistemaSistema
Ing. G.Graziuso 8
VINCOLI DI UN SISTEMA
CHIUSO (APERTO)
A PARETI RIGIDE E FISSE (A PARETI MOBILI)
ADIABATICO (DIATERMANO)
ISOLATO (NON ISOLATO) S.I.S.I.
Ing. G.Graziuso 9
TIPOLOGIE DI SISTEMI SISTEMI CHIUSISISTEMI CHIUSI, DELIMITATI DA SUPERFICI IMPERMEABILI
AL PASSAGGIO DI MATERIA;
SISTEMI APERTISISTEMI APERTI I CUI CONFINI, SONO,ALMENO PARZIALMENTE, PERMEABILI ALLA MATERIA;
I SISTEMI CHIUSI SONO CARATTERIZZATI DALLA COSTANZA DELLA MASSA, TALE PROPRIETA’ E’ COMUNE ANCHE AI SISTEMI APERTI IN REGIME PERMANENTE, NEI QUALI SI HA, ISTANTE PER ISTANTE, UGUAGLIANZA FRA MASSA ENTRANTE E MASSA USCENTE
SE LE SUPERFICI, OLTRE AD ESSERE IMPERMEABILI ALLA MATERIA, IMPEDISCONO ANCHE LO SCAMBIO CON L’ESTERNO DI OGNI FORMA DI ENERGEIA, IL SISTEMA VERRA’ DETTO ISOLATOISOLATO
Ing. G.Graziuso 10
LE PARETI DELIMITANTI UN SISTEMA CHIUSO POSSONO CONSENTIRE QUALSIASI VARIAZIONE DI VOLUME E DI FORMA, OD ESSERE RIGIDE: QUESTE ULTIME POSSONO RISULTARE FISSE O MOBILI.
UN SISTEMA SI DEFINISCE OMOGENEO OD ETEROGENEO SE È COSTITUITO RISPETTIVAMENTE DA UNA O PIÙ FASI; ESSO SARÀ DETTO AD N COMPONENTI SE N SONO LE SPECIE CHIMICHE PRESENTI.
TIPOLOGIE DI SISTEMI
Ing. G.Graziuso 11
APPROCCIO MACROSCOPICO
Sistema come continuo Non interessa ciò che avviene a livello
atomico o molecolare Grandezze macroscopiche come medie
statistiche Direttamente associate ai nostri sensi e
misurabili
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La proprietà è qualunquegrandezza
caratteristicadel sistema..
il valore èindipendenteindipendente
dall’estensione delsistema.
Intensiva
pressione, temperatura,
conducibilità termica
il valore èdipendentedipendente
dall’estensione del
sistema.
Estensiva
massa, entropia,volume, energia
PROPRIETÀ TERMODINAMICHE
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Proprietà Estensiva
volume specifico,energia specifica, entropia specifica
massa
proprietà specifica
PROPRIETÀ SPECIFICHE
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EQULIBRIO TERMODINAMICO
UN SISTEMA CHIUSO E’ IN EQUILIBRIO SE LE SUE CONDIZIONI PERMANGONO INDEFINITIVAMENTE INVARIATE QUALORA NON SI ABBIANO VARIAZIONI NELLE CONDIZIONI DELL’AMBIENTE. SE IL SISTEMA IN EQUILIBRIO, IN SEGUITO AD UNA MOMENTANEA PICCOLA PERTURBAZIONE ESTERNA, RITORNA NELLE CONDIZIONI INZIALI, L’EQUILIBRIO E’ DETTO STABILE, SE VICEVERSA NON RITORNA, L’EQUILIBRIO E’ DETTO INSTABILE.
UN SISTEMA CHIUSO IN EQUILIBRIO STABILE UN SISTEMA CHIUSO IN EQUILIBRIO STABILE VIENE ANCHE DETTO IN EQULIBRIO VIENE ANCHE DETTO IN EQULIBRIO TERMODINAMICOTERMODINAMICO.
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STATO TERMODINAMICO ED EQUAZIONI DI STATO
LO STATO TERMODINAMICO DI UN SISTEMA È DEFINITO DALL’INSIEME DEI VALORI DELLE N PROPRIETÀ TERMODINAMICHE
PER DEFINIRE UNIVOCAMENTE LO STATO TERMODINAMICO SONO NECESSARIE SOLO UN NUMERO LIMITATO M (M<N) DI PROPRIETÀ INDIPENDENTI.
E’ POSSIBILE DIMOSTRARE CHE IL NUMERO M DI PROPRIETÀ INDIPENDENTI È PARI AL NUMERO DI GRADI DI LIBERTÀ DEL SISTEMA
LE RESTANTI PROPRIETÀ TERMODINAMICHE (N-M) POSSONO ESSERE RICAVATE DALLE M ASSEGNATE SULLA BASE DI EQUAZIONI COSTITUTIVE ANCHE DEFINITE EQUAZIONI DI STATO
Ing. G.Graziuso 16
SISTEMA SEMPLICE P,V,TSISTEMA SEMPLICE P,V,T
UN SISTEMA COSTITUITO DA UNA SOSTANZA PURA IL CUI STATO INTENSIVO È COSTITUITO DA DUE PROPRIETÀ INTERNE INTENSIVE INDIPENDENTI È’ UN SISTEMA SEMPLICE.
QUALORA QUESTE DUE PROPRIETÀ POSSONO ESSERE SCELTE TRA LA PRESSIONE, LA TEMPERATURA E IL VOLUME SPECIFICO IL SISTEMA VIENE DEFINITO SISTEMA SEMPLICE COMPRIMIBILE O P,V,T
Ing. G.Graziuso 17
TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE UN SISTEMA SI DICE IN
EQUILIBRIO TERMODINAMICO SE LE SUE PROPRIETÀ RESTANO COSTANTI NEL TEMPO.
SI DEFINISCE PROCESSO O TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA UNA VARIAZIONE DELLO STATO TERMODINAMICO DI UN SISTEMA
UNA TRASFORMAZIONE SI DEFINISCE QUASI STATICA QUANDO ESSA AVVIENE SEGUENDO UNA SUCCESSIONE DI STATI DI EQUILIBRIO (TEMPO DI RILASSAMENTO)
pp
vv
IsocoraIsocora
IsobaraIsobara
IsotermaIsoterma
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CALORE E LAVOROCALORE E LAVORO
FORME DI ENERGIA CHE ATTRAVERSANO I CONTORNI DEL SISTEMA DURANTE UNA QUALSIASI TRASFORMAZIONE.
CALORE, QTRASFERIMENTO DI ENERGIA IN CONSEGUENZA DI UNA DIFFERENZA DI TEMPERATURA FRA SISTEMA E AMBIENTE. POSITIVO SE L’ENERGIA È FORNITA AL SISTEMA, NEGATIVO NEL CASO OPPOSTO.
LAVORO, LTUTTE LE ALTRE FORME DI ENERGIA SCAMBIATA FRA SISTEMA E AMBIENTE. POSITIVO SE COMPIUTO DAL SISTEMA VERSO L’ESTERNO, NEGATIVO NEL CASO OPPOSTO.
Ing. G.Graziuso 19
LAVOROLAVORO
IL LAVORO È SCAMBIO DI ENERGIA DOVUTO ALL’AZIONE DI UNA FORZA (GENERALIZZATA) IL CUI PUNTO DI APPLICAZIONE SUBISCE UNO SPOSTAMENTO ES. LO SPOSTAMENTO DI UN PISTONE,LA ROTAZIONE DI UN ELICA COLLEGATA AD UN ALBERO. I SISTEMI TEMODINAMICI CHIUSI SCAMBIANO LAVORO CON L’ESTERNO PREVALENTEMENTE ATTRAVERSO VARIAZIONI DI VOLUME. UN ESEMPIO CLASSICO È UN FLUIDO CONTENUTO IN UN CILINDRO A PARETI RIGIDE, MA CHIUSO DA UN PISTONE SCORREVOLE, IL CUI MOTO DENOTA LO SCAMBIO DI CALORE. IN QUESTO CASO SI PARLA DI LAVORO IN QUESTO CASO SI PARLA DI LAVORO TERMODINAMICO O LAVORO DI VARIAZIONE DI TERMODINAMICO O LAVORO DI VARIAZIONE DI VOLUMEVOLUME..
Ing. G.Graziuso 20
CALORE
IL CALORE È ENERGIA IN TRANSITO PER EFFETTO DI UNA DIFFERENZA DI TEMPERATURA
IL CALORE COME IL LAVORO NON È UNA PROPRIETÀ NON È UNA PROPRIETÀ DEL SISTEMA, MA È FUNZIONE DELLA TRASFORMAZIONE SEGUITA.
CONVENZIONALMENTE VIENE CONSIDERATO POSITIVO IL LAVORO FORNITO AL SISTEMA.
Termodinamica degli stati
Ing. G.Graziuso 22
Una sostanza pura è una sostanza la
cui composizione chimica non varia.
Una sostanza pura non deve necessariamenteUna sostanza pura non deve necessariamenteessere composta da un unico elemento chimico.essere composta da un unico elemento chimico.
Acqua
Aria
STATI DELLA MATERIA
OssigenoO2
Ing. G.Graziuso 23
solida liquida aeriforme
FASI
LA FASE È L’INSIEME DELLE PARTI OMOGENEE DEL SISTEMA AVENTI LO STESSO STATO INTENSIVO. UNA SOSTANZA PURA PUÒ TROVARSI IN DIVERSE FASI.
Ing. G.Graziuso 24
PASSAGGI DI FASEPASSAGGI DI FASE
FusioneFusione
SolidificazioneSolidificazione
Evaporazione
Evaporazione
Condensazione
CondensazioneCon
dens
azio
ne
Con
dens
azio
ne
Subl
imaz
ione
Subl
imaz
ione
SOLIDA
AERIFORME
LIQUIDA
Ing. G.Graziuso 25
Si consideri un sistema pistone-cilindro contenente una sostanza pura, al quale viene somministrato calore a
pressione costante (trasformazione isobara)
Trasformazione internamente reversibile
Il sistema è inizialmente nello stato A (fase solida)
p = cost.T
v
Calore
TB>TA
vB>vA
A
B
TB temperatura
di liquefazione
Ing. G.Graziuso 26
Calore
p = cost.T
v
A
B
RAGGIUNTO LO STATO B LA SOSTANZA IN FASE SOLIDA COMINCIA A LIQUEFARSI.
Nello stato C sono presenti la fase liquida e la fase solida. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase liquida e diminuisce quella in fase solida. La trasformazione termina quando l’ultimo cristallo di ghiaccio liquefa. Il processo è isotermoisotermo
DC
Ing. G.Graziuso 27
Calore
Raggiunto lo stato D la sostanza in fase liquida subisce un aumento di temperatura fino al punto E.
Inoltre è possibile osservare un leggero incremento del volume
p = cost.T
v
A
B
D
E
(ciò non è vero nell’intervallo 0-4°C per l’acqua)
Ing. G.Graziuso 28
Calore
Raggiunto lo stato E la sostanza in fase liquida comincia ad evaporare.
Sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina quando l’ultimo goccia di acqua evapora. Il processo è isotermoIl processo è isotermo
F
p = cost.T
v
A
B
D
E
Ing. G.Graziuso 29
Calore
Raggiunto lo stato E la sostanza è in procinto di evaporare
Nello stato F sono presenti la fase liquida e la fase gassosa. Durante questa trasformazione aumenta la quantità di sostanza in fase gassosa e diminuisce quella in fase liquida. La trasformazione termina quando l’ultimo goccia di liquido evapora.
p = cost.
T
v
A
B
D
EF
G
Ing. G.Graziuso 30
RiassumendoRiassumendop = cost.
T
v
Solido
Solido + liquido
Liquido
Liquido + vapore
Vapore
Ing. G.Graziuso 31
Temperatura e pressione Temperatura e pressione criticacritica
T
v
Liquido saturo
Vapore saturo
Vapore saturo secco
Tc
vc1
bar2
bar
5 b
ar
10 b
ar
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