Legge di FOURIER
Trasmissione del calore attraverso una parete
Supponiamo di avere una parete costituita, per semplicità, da
materiale omogeneo ed isotropo (proprietà chimico-fisiche uguali
in ogni punto ed in ogni direzione).
Questa parete divide due sorgenti di calore che chiameremo
sorgente calda e sorgente fredda. La prima è a temperatura T1
(20°C, ad esempio), la seconda è a temperatura T2 (5°C).
Per semplicità, possiamo anche immaginare che si tratti di una
parete di divisione tra un ambiente interno (a 20°C) e l’ambiente
esterno (a 5°C).
Dato che abbiamo un salto di temperatura, tra interno ed
esterno, le due sorgenti scambieranno tra loro energia sotto
forma di calore.
Il calore passerà attraverso la parete, che con le sue
caratteristiche fisiche, condizionerà il processo di scambio.
Possiamo osservare che:
La quantità di calore scambiata è direttamente proporzionale
al salto di temperatura tra interno ed esterno (DT=T1-T2).
Se vogliamo ridurre la quantità di calore dispersa verso
l’esterno, possiamo aumentare lo spessore della parete.
Maggiore sarà lo spessore (s), minore la quantità di calore che
passa dall’interno verso l’esterno. Possiamo, quindi, affermare
che quantità di calore Q e spessore della parete s sono grandezze
fisiche inversamente proporzionali.
La quantità di calore dispersa verso l’esterno è direttamente
proporzionale anche all’area della superficie della parete (A).
Per capire quest’ultimo concetto, basta pensare ad un
termosifone. Se aumentiamo il numero di elementi del radiatore,
cioè, se aumentiamo l’area della superficie radiante, riusciremo a
riscaldare una stanza più velocemente, perché stiamo
immettendo più energia, sotto forma di calore, nell’unità di
tempo.
La quantità di calore scambiata è anche direttamente
proporzionale al tempo. Un radiatore, infatti, eroga più energia,
se rimane attivo per 8 ore, piuttosto che per ¼ d’ora.
Come indicato in precedenza, le caratteristiche fisiche di un
materiale condizionano il processo di scambio.
La parete si lascerà attraversare più facilmente dal calore se il
suo comportamento sarà più prossimo a quello di un conduttore.
Viceversa, se vogliamo contenere le dispersioni di calore, allora
dobbiamo utilizzare un materiale con caratteristiche di isolante
termico. Abbiamo introdotto nella formula di Fourier il
coefficiente di conducibilità termica (l).
Q = l·
Per esaminare il valore di l
)
·(
·t
di alcuni materiali è possibile
scaricare l’allegato dal sito della scuola.
Per ridurre la dispersione termica dei nostri alloggi, possiamo
usare pareti perimetrali, verso l’esterno, costruite in modo
stratificato.
In figura ad esempio abbiamo uno strato di laterizi, uno strato
intermedio di materiale isolante, ed un ultimo strato di laterizi.
Parete stratificata
Possiamo trasformare la formula precedente nella:
= l·
)
·(
Abbiamo spostato “il tempo” da secondo membro a primo
membro dell’equazione (legge di FOURIER).
Facciamo l’analisi dimensionale:
=
=
[ ]
[ ]
= Potenza = [w]
L’energia termica nell’unità di tempo rappresenta la potenza e la
sua unità di misura è il Watt.
A noi interessa definire la TRASMITTANZA. Questa grandezza
fisica si ottiene dalla precedente formula con i seguenti passaggi:
l/s =
(
)· ·
La formula riportata è semplificata, per approfondimenti si rinvia
alle pubblicazioni tecniche (UNI-TS 11300).
Facciamo l’analisi dimensionale:
l/s=
[
[ ]
][° ][ ]
=
[ ]
[
][° ]
Si definisce Trasmittanza il rapporto prima riportato.
La trasmittanza, in definitiva, è quell’attitudine di una parete a
lasciarsi attraversare dal calore.
Nelle nostre abitazioni le pareti perimetrali (verso l’esterno)
devono avere una trasmittanza bassa per limitare le dispersioni
termiche.
Come si disperde l’energia termica di una casa?
Analizziamo la figura sotto riportata.
Il calore passa
attraverso:
dall’interno
all’esterno per trasmissione
1) Le pareti perimetrali (superfici opache)
2) Il tetto (copertura)
3) Il pavimento (superficie di base)
4) Le finestre (superfici trasparenti) ed i serramenti in genere.
Sprechiamo calore anche aprendo in maniera, in taluni casi
inopportuna, le finestre e attraverso gli spifferi delle stesse.
Questa perdita si chiama per ventilazione.
Cosa possiamo fare per non sprecare energia?
Miglioriamo le prestazioni delle pareti, delle coperture, delle
superfici di base con soluzioni tecniche adeguate (rivestimento a
cappotto, utilizzo di materiali isolanti termici in genere, ……).
Rivestimento a cappotto di una abitazione
Per quanto riguarda, invece, le finestre e le superfici trasparenti
in genere, possiamo utilizzare:
1) doppi o tripli vetri,
2) vetrocamera riempiti con gas (argon, krion…),
3) infissi a taglio termico,
4) guarnizioni tra anta ed infisso,
5) guarnizioni tra serramento e vetrocamera.
Infisso a taglio termico
Anche noi dobbiamo assumere dei comportamenti virtuosi nella
gestione dell’energia domestica in genere:
- Evitare di superare la temperatura interna di 20 [°C], prevista
per legge. Questo valore garantisce il nostro benessere termico.
- Evitare di lasciare acceso l’impianto di riscaldamento quando
non è necessario (se non siamo a casa, se dobbiamo fare pulizie,
……..).
- Evitare di aprire le finestre, se non per il necessario ricambio di
aria.
- Usare i termoregolatori (centraline per la misura della
temperatura interna). Tali congegni spengono la caldaia
(generatore di calore), se viene superata la temperatura
ambiente ottimale.
- Non sprecare acqua calda.
- Non lasciare tende chiuse che ostruiscono i radiatori.
- Usare materiale riflettente posto tra parete e radiatore.
- Non lasciare elettrodomestici inutilmente accesi.
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Come funziona un impianto di riscaldamento per residenza
Le parti fondamentali sono:
1) il generatore di calore (ad esempio caldaia a gas metano).
Serve sia per produrre acqua calda per usi igienico-sanitari,
sia per riscaldare il fluido termovettore (acqua che circola
nell’impianto). Il calore deriva dalla combustione del gas.
2) il circuito di distribuzione del fluido termovettore (acqua).
Serve a portare l’acqua calda dalla caldaia ai radiatori. Il
fluido viene spinto da una pompa.
3) I termosifoni.
4) Componenti e valvole per il controllo della temperatura.
Per risparmiare energia possiamo fare delle scelte anche
relativamente all’impianto di riscaldamento:
N generatore di calore ad alta efficienza,
N tubi di collegamento rivestiti di materiale isolante
(coibentati),
N centraline per il controllo della temperatura interna,
N Valvole termostatiche sui radiatori.
Per aumentare ulteriormente le prestazioni energetiche, la
tecnica sta evolvendo verso generatori di calore elettrici,
alimentati da pannelli fotovoltaici, mentre l’acqua calda
viene prodotta da collettori solari.
Impianto fotovoltaico
Collettore solare
Le abitazioni possono essere classificate dal punto di vista
del consumo energetico.
L’attuale normativa ci obbliga ad avere un documento
chiamato Attestato di Prestazione Energetica (vedere
esempio che è possibile scaricare dal sito della scuola).
Deve essere interpretato analizzando il diagramma a bande
colorate così come avviene per un qualsiasi
elettrodomestico.
Nell’Attestato è riportata anche la quantità di anidride
carbonica prodotta da ogni edificio.
Il nostro obiettivo è di ridurre sia il consumo delle risorse
fossili esauribili sia la produzione di rifiuti immessi in
ambiente.
“Dobbiamo garantire ai nostri figli le stesse opportunità
che noi abbiamo oggi”, preservando l’AMBIENTE.
