FISICA AMBIENTALE 1
Antonio Ballarin Denti
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FISICA AMBIENTALE 1
Lezioni 1 - 2
calorimetria
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:
convezione
conduzione
irraggiamento
CONDUZIONE
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).
La densità di flusso di energia termica sarà:
Eq. Fourier
(J m-2 s-1)
Dove k è la conduttività termica, in (W m-1 k-1)
collisioni dirette tra atomi o molecole
CALORE
Proprietà di trasporto del calore di alcuni
materiali a T = 300 K e condizioni normali
materiale
Densità
(Kg m-3)
Conduttività
Termica (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)
Air
Glass fibre
Urethane foam
Cork
Mineral wool
granules
Paper
Glass
1.161
16
70
120
190
930
2500
0.026
0.043
0.026
0.039
0.046
0.180
1.4
225
32
3.6
1.8
24
44
92
1.4
7.5
470
1620
Cement mortar
Soft wood
Hard wood
Oak wood
Brick
Concrete
1860
510
720
545
1920
2300
0.72
0.12
0.16
0.19
0.72
1.4
4.96
1.71
1.77
1.46
4.49
6.92
1020
290
380
499
1075
1680
Iron
Aluminium
Steel (C, Si)
Copper
7870
2700
7800
8933
80.2
237
52
401
228
972
149
1166
17000
24000
13500
37000
Sand
Soil
Cotton
Porcelain
Human skin
1515
2050
80
0.27
0.52
0.06
2.23
1.38
5.77
572
1400
80
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
le differenze di densità dovute a grad. di T nel fluido
hanno un effetto trascurabile sul moto. In questo caso
il moto è dovuto a cause esterne (ventilatori, pompe).
Fase
Gas
Liquidi
h (Conv.Libera)
2-25
50-1000
h (Conv.Forzata)
25-250
50-20000
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.
Emissione Totale
di Corpo Nero
 = 5,67x10-8 W m-2 K-4
Per un corpo non nero,
con emissività , si ha:
-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
B
d
A: spessore d, due pareti a T1 e T2, T1 < T2
B: due spessori adiacenti, T1 < T2 < T3
Per una superficie di area A
CASO 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 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
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
Resistenza calorica: irraggiamento
TS temperatura del corpo
T temperatura dell’ambiente
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 per
conduzione,
q’’ = k gradT
Produzione
interna di
calore
Se k è indipendente dalla posizione:
Ponendo a=k/cp (coefficiente di Fourier) si
ottiene:
In assenza di pozzi o sorgenti di calore:
In una dimensione:
Dall’eq. del calore si può dedurre come
fluttuazioni (annuali o giornaliere) di T
penetrino una parete di estensione “infinita”
Condizioni al contorno sinusoidali (1 dim):
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 fluido
calore 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.