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FISICA AMBIENTALE 1
Lezioni 1 - 2calorimetria
TRASFERIMENTO DEL CALORE
IMPORTANTE IN TUTTI I DISPOSITIVI PER LA CONVERSIONE DELL’ENERGIA
Il trasferimento di calore tra sostanze a temperature diverse coinvolge:
T: energia termica disponibile (energia cinetica)
Q: densità di flusso di energia termica
meccanismi principali:
conduzioneconvezione
irraggiamento
CONDUZIONE
CALORE
Se in un corpo esiste un gradiente di T, si ha flusso di energia termica dalle zone ad alta T (alta Ecinetica) a quelle a bassa T (bassa Ecinetica).
collisioni dirette tra atomi o molecole
La densità di flusso di energia termica sarà:
(J m-2 s-1)
Dove k è la conduttività termica, in (W m-1 k-1)
Eq. Fourier
Proprietà di trasporto del calore di alcuni materiali a T = 300 K e condizioni normali
materialeDensità(Kg m-
3)
ConduttivitàTermica (W m-1
k-1)
Coefficiente di Fourier(10-7 m-2 s-
1)
Coefficiente di contatto(J m-2 K-1 s-
1/2)
AirGlass fibreUrethane foamCorkMineral wool granulesPaperGlass Cement mortarSoft woodHard woodOak woodBrickConcrete Iron AluminiumSteel (C, Si)Copper SandSoilCottonPorcelainHuman skin
1.161
1670
120
190
930
2500
1860
510
720
545
1920
2300
7870
2700
7800
8933
1515
205080
0.0260.0430.0260.0390.0460.180
1.4
0.720.120.160.190.72 1.4
80.2 237 52401
0.270.520.06
225 32 3.6 1.8 1.4 7.5
4.96 1.71 1.77 1.46 4.49 6.92 228 972 149 1166 2.23 1.38 5.77
244492
470 1620
1020 290 380 499 1075 1680
17000 24000 13500 37000
572140080
1610 1120
CONVEZIONE
Si ha quando un fluido (acqua, aria…) entra in contatto con un corpo la cui T è maggiore di quella del fluido stesso. Le particelle di fluido all’interfaccia scambiano calore con il corpo attraverso il trasferimento di Ecinetica e si ha:
TS = temperatura superficie corpo
T= temperatura fluido
h = coeff. di trasferimento del calore
CONVEZIONE LIBERA
il moto del fluido, inizialmente in quiete, dipende solo da differenze di densità causate da grad. di T.
CONVEZIONE FORZATA
Fase h (Conv.Libera) h (Conv.Forzata)Gas 2-25 25-250Liquidi 50-1000 50-20000
le differenze di densità dovute a grad. di T nel fluido hanno un effetto trascurabile sul moto. In questo casoil moto è dovuto a cause esterne (ventilatori, pompe).
IRRAGGIAMENTO
Un corpo ad una certa temperatura T può emettere energia per irraggiamento e scambiare calore senza dover essere a contatto con un altro corpo, anche in
presenza di vuoto.
Per un corpo non nero,con emissività , si ha:
Emissione Totale di Corpo Nero
= 5,67x10-8 W m-2 K-4
-Corpo nero-Corpo non nero A-Corpo non nero B
Scambio di calore tra il corpo a TS e l’ambiente a T :
Esempio di conducibilità del calore
Vediamo il Flusso di calore in un caso monodimensionale, situazione stazionaria
A: spessore d, due pareti a T1 e T2, T1 < T2
B: due spessori adiacenti, T1 < T2 < T3
A B
d
Per una superficie di area A
T(x) è una linea retta tra (x1 ,T1) e (x2 ,T2) e:
Resistenza di calore (W-1 K)(Analogia con legge di Ohm)
CASO A
CASO B
…sommate in serie come le resistenze elettriche
Resistenza calorica: convezione
Il flusso di calore da una superficie con temperatura TS ad un fluido con T
Resistenza calorica: irraggiamento
TS temperatura del corpoT temperatura dell’ambiente
R per una parete composta da 2 strati paralleli:
Dove h1 e h2 riassumono le perdite o i guadagni dovuti a convezione o
irraggiamento sui due lati
EQUAZIONE DI DIFFUSIONE DEL CALORE
La T in una sostanza dipende da t e r: T=T(r, t)
Aumento del contenuto di calore
Flusso netto entrante perconduzione,
q’’ = k gradT
Produzioneinterna di
calore
Se k è indipendente dalla posizione:
In una dimensione:
Ponendo a=k/cp (coefficiente di Fourier) si ottiene:
In assenza di pozzi o sorgenti di calore:
Condizioni al contorno sinusoidali (1 dim):
Dall’eq. del calore si può dedurre come fluttuazioni (annuali o giornaliere) di T
penetrino una parete di estensione “infinita”
La soluzione sarà di tipo esponenziale
Che fornisce i due parametri
Condizioni al contorno per un salto improvviso di temperatura:
Soluzione, t 0 :
Differenziando T(r, t):
Coefficiente di
contatto
Temperatura di equilibrio al contatto
T1 T2>
t=0
Utile quando si studia il contatto della pelle umana con un materiale freddo o caldo
Scambio di calore nelle “Fins”
Trasferimento totale di calore al fluidocalore che passa a x=0
Riscaldamento
Il calore solare è assorbito sulla superficie annerita. Poiché i materiali TIM hanno una conducibilità più bassa della parete, la maggior parte del calore assorbito fluisce all’interno.
