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FISICA TECNICA - Coggle Diagram
FISICA TECNICA
FLUIDI: corpo caratterizzato da particelle dotate di ampia mobilità, assoluta e relativa.
PROPRIETà: Deformabilità sempre permanente. Comprimibilità: i liquidi hanno scarsa comprimibilità causa F coesione; i gas scarsa resistenza (notevoli ΔVol). Massa volumica ρ: (densità) = m/Vol [kg m^-3]
SFORZI INTERNI AI FLUIDI: [N m^-2], fluido in moto presenta sforzi normali e tangenziali (dipendono dalle condizioni di moto, > tanto > gradiente velocità interno), fluido in quiete (fluido perfetto a viscosità nulla -> ideale) solo sforzi normali (indipendenti quindi dalla natura del fluido)
Esame sforzi tangenziali (vedi slide): Rotazione tangenziale rispetto asse rotazione: velocità angolare ω [s^-1] perpendicolare piano rotazione, passa per centro rotazione e verso antiorario; F trascinante con applicazione F tangenziale. Quindi F è direttamente proporzionale a: superficie laterale S cilindro interno, ΔU (velocità) tra fluido a contatto con 2 cilindri. Inversamente proporzionale a Δr cioè distanza delle 2 S. F = μS (ΔU/Δr) dove μ[N s m-2] è la viscosità dinamica del fluido quindi capacità di trasferire moto.
FLUIDI NEWTONIANI
Legge di Newton viscosità -.> sforzo tangenziale τ = F/S = F = μS (ΔU/Δr); facendo derivata parziale ∂ (infinitesimo) τ=μ(∂u/∂n) con n che è la direzione perpendicolare al moto. μ = μ(T°C) quindi fluidi newtoniani dipendono da T°
VISCOSITà: Gas, > T° > μ (per > E cinetica). Liquidi, > T° < μ (meno saldo il legame interparticellare quindi < viscosità). Viscosità cinematica v -> v=μ/ρ [m^2 s^-1].
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FLUIDI NON NEWTONIANI
Parametri cinematici: variabili descrivono stato di moto senza interpretare le cause, che sono individuate dai parametri dinamici
A T° costante, μ è f(x) di un qualche parametro dinamico/cinematico: τ = f (∂u/∂n).
Classe 1 = caratteristiche reologiche indipendenti da t applicazione sforzo: Fluidi plastici alla Bingham ("con soglia di attivazione", τ < τ0 non si deformano, se supera soglia diventa Newtoniano), Pseudoplastici (> v deformazione < μ), Dilatanti (> v deformazione > μ)
Classe 2 = caratteristiche reologiche dipendenti da t applicazione sforzo: Fluidi tixotropici (v deformazione costante, > t < μ fino a lim dopo Newtoniani), Reopectici (v deformazione costante, > t > μ fino lim dopo Newtoniani)
Classe 3 = caratteristiche reologiche parzialmente sovrapponibili con solidi (parziale reversibilità alle deformazioni): Fluidi viscoelatici (parziale reversibilità defromazioni)
REGIME DI MOTO: flusso -> direzione principale + direzioni secondarie. Esperienza rubinetto con fluido tracciante: Numero di Reynolds ℜ=(D∙w∙ ρ)/μ con D che è diametro condotta, w è velocità media fluido; numero puro che esprime regime di moto (Regime laminare / transizione / turbolento)
STATICA FLUIDI
Pressione interno a fluido: In fluido in quiete p = Sforzo normale e dF = p dS. Il valore di p è indipendente dall'orientamento della superficie S a cui è legato punto di applicazione se dS
Variazione pressione interna: (parallelepipedo S x dz) liquido in quiete -> Fr=0. F peso -> gdm=gpdVol. F sulle superfici -> si annullano a 2 a 2 tranne sulle 2 basi: B. superiore = pS verticale verso il basso; B. inferiore = (p+dp)S verticale verso l'alto
Equilibrio: pS−( p+dp ) S+ ρ gdV =0 trovando dp/dz=ρg quindi in fluido in quiete, in ogni punto, la derivata della p con la z è = al peso specifico = Δp al variare della z nel punto. Peso specifico = mVolg , dipende dalla posizione di misurazione
Legge di Stevino: la Δp tra 2 posizioni di un fluido in eq. è = p alla base di una colonna S x h (dislivello 2 P). mg=ρ ghS ricordando che p è rapporto F/S quindi (mg)/S=ρ ghS. Legge di pascal: se peso del fluido è trascurabile (p2-p1=0) p costante (fluido in eq.)
Vasi comunicanti (liquidi): se n recipienti con stesso liquido sono in comunicazione, il pelo libero si troverà alla stessa quota (tranne in casi di capillarità). Diverso se 2 liquidi con densità diversa: patm−pB=ρ1 g h1=ρ2 gh2 semplificando ρ1 h1=ρ2 h2
Legge di Archimede (galleggiamento) = corpo solido immerso in H2O, all'eq. p orizzontali si elidono, p verticali invece: p2S–p1S=(p2–p1)S -> (p2 – p1) S = ρghS = mfg (mf è m di H2O=Vol corpo; ρ H2O). Spinta di Archimede: FA=−mfg
"Un fluido esercita su un corpo immerso in esso una F uguale e opposta alla FP di esso contrastandola". FP= (ρc ghS) con risultante F=FA+FP=(ρc−ρf )ghS, quindi da ρc−ρf dipende: ρc>ρf c affonda; ρc<ρf c galleggia
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M.A.V. Miscela di aria e vapore. Vapore (condensabile - variabile) + Aria secca (invariabile) -> Miscela di gas: = sistema aereiforme non condensabile a T° e p ambiente. 101.325 Pa (p = pv + pa)
Umidità specifica X [gv / kga] oppure [kgv / kga] = mv/ma = pv/pa = Va/Vv ecc... (vedi slide). Al crescere di pv nella MAV,
cresce X. Per determinata T°, Xmax -> pv = psaturazione
Umidità relativa ϕ = mv/ms = pv/ps = Vs/VV ecc... (vedi slide) ms è la massa di saturazione a T° MAV; ps = (1/vs) è la d del vapore acque. Da pv=ϕ ps -> X = 0,622 (ϕps/p-ϕps) quindi a crescita ϕ cresce X; a data T° ϕ=1 ovvero in condizioni di saturazione (mv = ms)
Entalpia specifica h: Ottenuta dall'entalpia della MAV (H=maha+mvhv) /ma -> h = ha+Xhv. Entalpia aria secca ha(0°C) = 0. Liquidi saturi haH2O(0,001°C) = 0; c a pressione costante (dh/dt) = costante
Quindi, ha=cpa t (t è T°C della MAV); r-> è calore latente di evaporazione quindi hv=r0+c pv t (r0 è il calore latente di evaporazione H2O a 0,001°C mentre c pv è il calore per portare H2O a T° MAV )
FORMULA FINALE: h = c pa t + X(r0 + c pv t). Sostituendo si ottiene h [kJ/kga] = 1,006 t + X(2501+1,875 t). Scritta in maniera più sintetica h = c pu t + Xr0 dove c pu=c pa + Xc pv ed è calore specifico dell’aria umida a pressione costante (considerato costante)
DIAGRAMMI PSICROMETRICI: descrizione stato fisico MAV a 101,325 KPa
Diagramma di Carrier: [x -> T°C ; y -> X kgv/kga]. Da data t1 (isoterma) si ricava ps(t), utilizzando ϕ (curva esterna 100% ϕ=1) si ricava X corrispondente.
Il tracciamento delle linee isentalpiche (h costante, verticali), da h = c pa t + X(r0 + c pv t) si ottiene X. Il tracciamento delle linee isocore (v costante) partendo da volume specifico v=V/ma -> pa=(RaT)/v (vedi slide) tenendo conto che p=1atm; per vedere l'inclinazione della linea si deve derivare 2 volte rispetto a T la x(T)
STATO FISICO MAV: misurare proprietà termodinamiche miscela stessa, tramite misure indirette di
Temperatura di Rugiada TR: < t restano costanti pv e X ma diminuisce ps mentre cresce ϕ (max 1 quindi saturazione). Individuare TR su Carrier: linea orizzontale da stato fisico iniziale MAV fino a raggiungimento saturazione e relativa t
Temperatura di Bulbo secco tbs: T°s MAV. Temperatura di Bulbo bagnato tbb: termometro in una garza bagnata, evaporazione parziale H2O raffredda aria (bulbo), all'equilibrio, tbb<tbs.
Nel diagramma Carrier: da A (stato iniziale), B in una qualsiasi posizione tra 1 e 2 (T° < e ϕ >) definendo B come intersezione tra curva saturazione e isentalpica di AStato fisico MAV = intersezione tr e tbb (2 isentalpiche). E viceversa
TRASFORMAZIONE DI UNA MAV: p = 101,325 kPa, cp costante, MAV gas perfetti, no L o Q tra ambiente e contorno, no ΔE
Riscaldamento/Raffreddamento semplice (NO condensazione): scambiatore di calore con aria umida (X costante). +T° sempre vero; -T° prima di tr
BILANCIO E: q12=ma c pa(t2-t1) è il flusso di calore, c pa è calore specifico dell'aria umida a p costante
Raffreddamento con deumidificazione (Condensazione): T° scambiatore < tr. BILANCIO MATERIA: uguaglianza tra la diminuzione nell'unità di tempo di umidità MAV e portata condensatori, ma(X1−X2 )=ml.
BILAMCIO ENERGIA: flusso termico dato da Δ entalpia MAV + Δ entalpia per formazione condensato q12=ma (h2−h1 )+ml hl. Per il resto capito nient'altro
TERMODINAMICA: sistema termodinamico è uno spazio delimitato da un confine superficiale (reale o apparente) che lo delimita dal contorno. L'insieme di spazio + confine + contorno è l'universo
Confine: aperto / chiuso (scambio di materia), rigido / deformabile, diabatico / adiabatico (scambio di calore), isolato / non isolato (scambio E e materia)
Interazioni di tipo L (sistema dinamico), interazioni di tipo calore (sistema statico)
Approccio macroscopico (termodinamica statica). Approccio microscopico (variabili microscopiche), coordinate macroscopiche meccaniche e termodinamiche o f(x) di stato: danno descrizione del sistema. v = c - f + 2
1° Principio termodinamica (sistemi chiusi): scambi E sistema-contorno. 1° principio dell'E: ΔEuniverso = ΔEsistema + ΔEcontorno = 0 (E no crea no distrugge). ΔEsist = Ein – Eout = ΔU con U come somma delle possibili E interne, ΔU = Q - L con Q calore scambiato (<0 se ceduto) e L lavoro (>0 se compiuto)
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Entalpia: U è una f(x) di stato, in base alla trasformazione che avviene.
Q frazione di stato -> Trasformazioni a Vol costante: dQ = dU + dL da 1° principio, dL = pdV = 0 quindi dQ = dU. Trasformazione p costante: dQ = d(u + pV) = dH quindi H = U + pV e rappresenta fisicamente il calore scambiato
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C (J K^-1): capacità termica, costante di proporzionalità che lega quantità di calore scambiata da sistema con il contorno alla conseguente ΔT° (Q = C ΔT). c: calore specifico per unità di massa, legata al materiale (Q = cmΔT). r (J Kg^-1): calore necessaria per il completo passaggio di fase dell’unità di
massa di un sistema termodinamico (Q = rm)
Diagramma V; p: termodinamico mono fase-componente, curva di trasformazione (ciclo di trasformazione/termodinamico se fase rimane =). L è l'area sottostante, pari alla somma dei diversi contributi (L<0 compressione, *L*>0 espansione).
Ciclo termodinamico: L (Area), > 0 se il ciclo è percorso in senso orario (ciclo diretto), mentre < 0 se il ciclo è percorso in senso antiorario (ciclo inverso)
Trasformazione reversibile: cause infinitamente piccole, successione stati fisici, il verso della trasf. varia con infinitesima variazione causa. Trasformazione irreversibile: procede per stati di NON equilibrio. Trasformazioni reali (quasi irreversibili): irreversibili ma rappresentate come reversibili
2° Principio termodinamica: Clausius - Lorentz = un corpo freddo non cede Q senza un L, impossibile tale passaggio se sistema isolato e solo alcuni corpi hanno cambiato stato. Kelvin (moto perpetuo di 2° specie) = impossibile che trasformazione converta Q sottratto a serbatoio, interamente in L . Equivalenza dei 2 enunciati ( calore e L NON sono forme equivalenti di E)
Serbatoio di calore = sorgente termica costante con capacità termica infinita. Moto perpetuo di 2° specie = macchina termica ciclica che sottrae calore a serbatoio -> L
Teorema di Carnot: Macchina termica (εR) = produce L assorbendo Q da serbatoio e cedendolo a altro serbatoio a T° <. Macchina termica reversibile (ε < εR) = trasformazione reversibile del sistema isolato. Coeff. economico ε = Lprodotto / Qassorbito
Ciclo Carnot, ciclo reale di riferimento macchine termiche (Grafico V;p) = macchina tra 2 serbatoi con T2 > T2. 1) Espansione: assorbe Q2 da T2 a T° 2 (isoterma). 2) Passaggio di T° da T2 a T1 (adiabatica). 3) Compressione: cede Q1 a T1 alla T° 1 (isoterma). 4) Passaggio da T1 a T2 (adiabatica).
Entropia (S) = f(x) di stato, rapporto tra Q scambiato da sistema in un processo isotermo reversibile a contatto con serbatoio Q a T° e la T° medesima. S = Q/T. Sistema isolato -> S > o rimane costante, non <
Diagramma termodinamico S; T: diagramma entropico dove entropia specifica è variabile indipendente e T° dipendente.
MACCHINE FRIGORIFERE (MF) E POMPE DI CALORE (PDC) -> flusso Q da T° < a T°> (COP = coeff. prestazione, max possibile efficienza)
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MISURE: da S.I. fondamentali, ottenute da unità di misura u (m, s, kg, A, k, mol, cd) e derivate dalle fondamentali
MULTIPLI: 10^1=da; 10^2=h; 10^3=k; 10^6=M; 10^9=G. SOTTOMULTIPLI: 10^-2=d; 10^-3=c; 10^-6=µ; 10^-9=n
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Errori di misurazione: errori sistemici + errori casuali. (Variabilità a campana). σ indica l'incidenza dell'errore
ENERGIA E POTENZA
Energia (J): grandezza scalare associata allo stato di uno o + oggetti (E cinetica e potenziale). Applicando F su sistema, +/- E e quindi F compie un L (trasferimento E). L di una forza costante è dato da F x d che è lo spostamento
Teorema E cinetica: una forza costante F applicata in d corrisponde a Fxd = (1/2)mv^2 - (1/2)mv^0. Definendo quindi L = Δk (variazione di energia)
Se F = mg allora L = mgdcos(α). Per uno spostamento di P in altezza, L è la somma del La e Lg (La = -Lg): sollevamento La = mgd, abbassamento La = -mgd
Forza elastica, legge di Hooke: F = -kd. Con sistema elastico ideale, F non è costante quindi Lm = (1/2)kx^2 quindi per trazione L<0 e compressione *L*>0
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Forza conservativa: il lavoro totale è nullo o è f(x) del percorso seguito dal moto del punto. Conservazione E meccanica: somma E meccanica e cinetica, se il sistema puntiforme è isolato e con F conservative, la somma delle 2 energie è =0
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TRASMISSIONE CALORE
ΔT = calore scambiato quindi ΔT° interna al sistema. Q = potenza/flusso termico (gradiente propagazione calore) e con esso si calcola ΔT (integrale 0-Δt; se è costante, moltiplicare per Δt). q = flusso termico specifico/superficiale Q/S cioè unità superficie perpendicolare [W m^-2]
Conduzione: interazione tra particelle in contatto, con ≠ contenuto E che comporta passaggio calore (in f(x) S, λ cioè conduttività materiale, ΔT). Q=λS ΔT/Δx [W] con Legge di Furier -> q=-λS dT/dx con Δx->0
λ è f(x) molto debole di T° temperatura e, quindi viene
considerata una costante. h è f(x) tipo fluido, geometria parete, tipo di moto e v, quindi NO costante
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Convezione: passaggio di calore tra solido e fluido in movimento a contatto, > velocità > flusso termico. Convezione libera (galleggiamento da ≠ densità fluido con movimenti convettivi); Convezione forzata (il moto del fluido è dovuto a cause esterne); Convezione mista (tra libera e forzata). Legge di Newton su Convezione -> Qconv=hA(Tp-T∞) con A che è superficie di contatto (interfaccia), h è coeff. scambio termico, Tp è T° parete, T∞ è T° fluido indisturbata
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Modalità combinate: Gas fermo -> irraggiamento + conduzione. Gas movimento -> irraggiamento + convezione. Superficie <ok = irraggiamento. **Calore trasmesso** convezione forzata > irraggiamento > convezione naturale o conduzione. MAX 2 FORME PER VOLTA.
Solidi opachi -> conduzione. Solidi semitrasparenti -> conduzione + irraggiamento. Fluido in quiete -> conduzione e irraggiamento. Liquido in moto -> convezione e irraggiamento. ! al mezzo=liquido assorbe radiazioni quindi influisce su scambio termico al contrario dei gas che sono ininfluenti
Irraggiamento: un corpo emette calore come onde elettromagnetiche in f(x) della sua T° superficiale (tutti i corpi con T° > 0k). NO necessario intermezzo, va bene anche il vuoto, v propagazione = v luce. Legge Stefan-Boltzman -> qmax=σ Ts^4 con σ= costante di Stefan-B. 5,67 x 10-8 [W m-2 K-4], q*max+ è il valore di un corpo nero (limite q dei corpi reali)
Superfici reali: emettono flusso termico <q*max* a stessa T° superficiale, quindi q=ε σ Ts^4 con ε che indica l'emissività (tra 0 e 1 del corpo grigio e 1 costante del corpo nero). **Q*irr***=ΔQ tra i 2 corpi poichè ogni corpo emette ma assorbe E dell'altro. Con s1 di A e T1; S2 contenuta in S1 e > poichè nera -> Qirr=ε σ A(Ts^4-Tc^4)
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