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

Ing. G.Graziuso 12

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

Ing. G.Graziuso 13

Proprietà Estensiva

volume specifico,energia specifica, entropia specifica

massa

proprietà specifica

PROPRIETÀ SPECIFICHE

Ing. G.Graziuso 14

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.

Ing. G.Graziuso 15

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

Ing. G.Graziuso 18

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