QUADERNI del FREDDO I QUADERNI DEL FREDDO
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06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO Materiale Didattico per il Conseguimento del QUADERNI del FREDDO Patentino per ilLinee Trattamento deiimpianti Gas Effetto Serra guida per freddo LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 1 Introduzione ai sistemi di Condizionamento e Refrigerazione Il freddo è scarsità di calore Tutte le sostanze sono costituite da atomi raggruppati ordinatamente in molecole. Atomi e molecole sono caratterizzati dal loro perenne movimento, la cui intensità è suscettibile di variazione. Un corpo freddo è soggetto a una scarsa attività molecolare, un corpo caldo è caratterizzato da moti molecolari molto intensi. Il freddo rallenta le funzioni vitali La vita degli organismi si basa sull'attività molecolare dei loro costituenti. L'inverno, il ghiaccio, il freddo intenso rallentano sin quasi all'arresto l'attività vitale degli organismi animali e vegetali. Grazie a questa proprietà una giusta dose di freddo conserva gli alimenti. Non si produce freddo, si rimuove calore Lo scopo di un impianto frigorifero è quello di raffreddare i corpi, gli ambienti o le sostanze ad una temperatura inferiore a quella ambientale e di riuscire a mantenere il sistema a tale temperatura. Per fare questo si sottrae calore ad una sorgente da rafreddare e lo si va a scaricare su di una sorgente esterna che può essere aria, acqua o suolo a secondo delle necessità. 2 wwww.teknologieimpianti.it 1 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 1 Introduzione ai sistemi di Condizionamento e Refrigerazione Un po’ di Storia… Per tutto l'Ottocento si erano succeduti i tentativi per mettere a punto macchine capaci di produrre ghiaccio, ma si era trattato piuttosto di esperimenti scientifici. La penuria di ghiaccio del 1890 creò una consapevolezza di quella domanda di freddo che rimaneva insoddisfatta e pose la base per l'individuazione di un mercato del freddo che era il presupposto necessario alla nascita di una industria della refrigerazione. Il primo frigorifero ermetico prodotto in grande serie. Il modello Monitor Top della General Electric. La denominazione molto probabilmente allude alla forma cilindrica del condensatore posto sopra all’apparecchio. Nel 1913 vede la luce l'apparizione di un frigorifero domestico azionato a mano, e nel 1918 arriva sul mercato il primo frigorifero domestico della Kelvinator, a funzionamento elettrico. L'affermazione del frigorifero domestico arriva nel 1926 con la presentazione del modello Monitor Top praticamente il primo frigorifero a chiusura ermetica dell’era moderna. Il frigorifero domestico conquistò l’Europa solo a partire dal 1951anche grazie ai modelli di produzione Italiana per lungo tempo leader del mercato continentale. 3 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 1 Introduzione ai sistemi di Condizionamento e Refrigerazione Ma a cosa reve il Freddo? Dopo tutto gli abitanti delle regioni calde del globo hanno fatto per migliaia di anni senza condizionamento o refrigerazione. Da sempre si sa che qualsiasi sostanza organica decompone. Nelle civiltà antiche si faceva un gran commercio di spezie, che venivano usate per mascherare i cambiamenti di odore e di sapore subiti dai cibi col passare del tempo. Naturalmente, questo non era un' rimedio. Deve essere molto antica l'osservazione che d'inverno i processi degenerativi sono più lenti e, dove era disponibile, il ricorso all'uso del ghiaccio. Oggi sappiamo che il freddo ha la proprietà di rallentare le funzioni vitali dei batteri responsabili delle alterazioni dei cibi. Oggi diverse attività industriali sono basate sulla disponibilità di ambienti a bassa temperatura. Conservazioni alimentari, Refrigerazione di Processo, Condizionamento, Impianti per acqua fresca, Container refrigeranti, Pompe di calore, Produzione di ghiaccio, impianti di liofilizzazione sono solo alcune delle possibili applicazioni della «Catena del Freddo». 4 wwww.teknologieimpianti.it 2 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 1 Introduzione ai sistemi di Condizionamento e Refrigerazione I Batteri I batteri, organismi intermedi tra il mondo animale e il mondo vegetale, sono presenti in tutte le sostanze organiche. Le loro attività vitali, consistono nell'utilizzare e trasformare diverse sostanze chimiche alterandone in qualche caso l’equilibrio. I batteri come si presentano al microscopio. Ingranditi oltre mille volte e colorati di blu di metilene, alcuni individui del ceppo Saccharomyces glutinis, che interviene nelle fermentazioni ad uso alimentare. Tutti questi processi sono raggruppati sotto il nome di fermentazioni. Particolari batteri sono responsabili della fermentazione alcoolica come di quella del lievito di birra. Sono numerosi i batteri che svolgono funzioni utili alla catena alimentare umana e animale o al riequilibrio dell'ambiente. Quei batteri che producono una degradazione delle sostanze organiche e in particolare dei cibi, rappresentano un ostacolo alla loro conservazione in condizioni di freschezza. L'attività fermentativa e la velocità con cui si svolge sono influenzate da diversi fattori, tra cui la quantità di ossigeno disponibile e la temperatura ambiente. In condizioni di scarsità di ossigeno l'attività batterica è meno intensa. 5 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 1 Introduzione ai sistemi di Condizionamento e Refrigerazione I Batteri Per ogni specie batterica esiste una temperatura alla quale si verificano le migliori condizioni di vita (si veda ad esempio il batterio della legionella), e temperature massime e minime oltre le quali ogni attività vitale cessa. Particolari specie sono capaci di vivere sopra i 50° C, se ne conosce una sola che resiste sotto – 100° C. Entro certi limiti un aumento di temperatura ha I’effetto di accelerare le attività fermentative, mentre una diminuzione sotto la temperatura ottimale le rallenta notevolmente. Questo rallentamento dell'attività fermentativa è alla base della conservazione mediante refrigerazione. 6 wwww.teknologieimpianti.it 3 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura Alfabeto Greco Α α alpha Ι ι iota Β Γ ∆ Ε β γ δ ε beta Κ Λ Μ Ν κ λ µ ν kappa Ζ Η Θ ζ η θ Ξ Ο Π xi ξ ο omicron pi π gamma delta epsilon zeta eta theta lambda mu (mi) nu (ni) Ρ ρ rho Σ σ ς sigma tau Τ τ Υ υ upsilon phi Φ φ Χ χ Ψ ψ Ω ω chi psi omega 7 “.. I greci non sapevano fare a meno del concetto di misura. Se non misuravano si sentivano perduti. Parole, azioni, passioni andavano tenute al guinzaglio, altrimenti si profilava all’orizzonte lo spettro dell’imprevedibile. Già uno dei sette saggi, Clebulo, aveva ammonito: “ottima cosa è la misura….” wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura Che cosa è un Sistema di Unità di Misura? Misura: associazione ad una proprietà fisica di un numero per confronto con una proprietà simile che si chiama “unità di misura” Campione: oggetto che ha misura nota, utilizzato per il confronto La definizione di una grandezza fisica: deve indicare come la si misura e deve essere “operativa”. 8 wwww.teknologieimpianti.it 4 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura Un po di Storia … Il Sistema internazionale di unità di misura, abbreviato in SI, è il più diffuso tra i sistemi di unità di misura. Assieme al Sistema CGS, viene spesso indicato come sistema metrico, soprattutto nei paesi anglosassoni. Le unità, la terminologia e le raccomandazioni del Sistema internazionale vengono stabilite dalla Conferenza generale dei pesi e delle misure (CGPM), organismo collegato con il Ufficio internazionale dei pesi e delle misure (BIPM), chiamato in italiano Ufficio internazionale dei pesi e delle misure. Questo sistema di grandezze ed unità di misura nasce nel 1889 e dopo una serie di modifiche successive approda nel 1971 alla sua forma attuale. Ogni sistema di unità di misura nasce con lo scopo di definire in maniera quantitativa il mondo che ci circonda attraverso lo studio di diverse grandezze. Esistono grandezze che descrivono fattori considerati basilari nello studio della fisica e nella definizione di elementi per la descrizione e la conoscenza dei fenomeni. Queste vengo dette GRANDEZZE FONDAMENTALI O PRIMITIVE. Molto spesso queste grandezze associano tra loro, secondo determinate leggi, vanno poi a generare grandezze differenti ma non meno importanti, tali grandezze sono dette DERIVATE, poiché derivano, appunto, da quelle fondamentali. 9 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura Un po di Storia … Oggi, il Sistema Internazionale è basato su sette grandezze fondamentali (con le rispettive unità di misura), con le quali vengono definite le grandezze derivate (e rispettive unità di misura). Il Sistema Internazionale, inoltre, definisce una sequenza di prefissi da premettere alle unità di misura per identificare i loro multipli e sottomultipli. Il sistema è stato adottato in Italia in seguito al recepimento delle direttive comunitarie avvenuto con il DPR 802 del 1982. Fino al 31/12/2009 era tuttavia consentito accompagnare le unità di misura ufficiali con le equivalenti unità di misura presenti negli altri sistemi di misura. Le Sette Grandezze Fondamentali del SI 1) Lunghezza metri (m) 2) Massa chilogrammi (kg) 3) Tempo secondi (s) 4) Temperatura Kelvin (K) 5) Intensità di corrente Ampere (A) 6) Intensità luminosa candele (cd) 7) quantità di materia mole (mol) (quantità di materia che contiene tante unità elementari quanti sono gli atomi di carbonio in 0.012 kg) 10 wwww.teknologieimpianti.it 5 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura Multipli e Sottomultipli Molte grandezze fisiche sono troppo piccole o troppo grandi per essere usate in modo diretto, per questo motivo molto spesso si ricorre a prefissi convenzionali che rappresentano dei multipli o dei sottomultipli della grandezza medesima. Andando dal fornaio non vi capiterà mai di dire voglio mille grammi di pane ma direte voglio un chilogrammo di pane (multiplo). Così come leggendo un disegno tecnico si sa che le misure non sono espresse in metri ma in millimetri (sottomultiplo). 0n Prefisso 1012 tera 109 giga 106 mega 103 Simbolo Nome Equivalente decimale T Bilione 1 000 000 000 000 G Miliardo 1 000 000 000 M Milione 1 000 000 kilo o chilo k Mille 1 000 102 etto h Cento 100 10 deca da Dieci 10 10−1 deci d Decimo 0,1 10−2 centi c Centesimo 0,01 10−3 milli m Millesimo 0,001 10−6 micro µ Milionesimo 0,000 001 10−9 nano n Miliardesimo 0,000 000 001 10−12 pico p Bilionesimo 0,000 000 000 001 11 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali La Lunghezza = Metro Il metro è la lunghezza del tragitto percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di 1/299.792.458 di secondo (velocità della luce). chilometro = kilometro = km = 103 m = 1000 m ettometro = hm = 102 m = 100 m decametro = dam = 101 m = 10 m metro = m decimetro = dm = 10−1 m = 0,1 m = 1/10 m centimetro = cm = 10−2 m = 0,01 m = 1/100 m millimetro = mm = 10−3 m = 0,001 m = 1/1000 m micrometro = micron = μm = 10−6 m nanometro = nm = 10−9 m 12 Simbolo grandezza l Simbolo Unita di Misura m wwww.teknologieimpianti.it 6 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali La Massa = Chilogrammo Il chilogrammo è l'unità di massa; esso è pari alla massa del prototipo internazionale del chilogrammo conservata presso il museo dei pesi e delle misure di Sevres - Francia. «Il chilogrammo è la massa di un particolare cilindro di altezza e diametro pari a 0,039 m di una lega di platino-iridio». I prefissi SI vengono usati per i multipli e i sottomultipli del chilogrammo. È da notare che, contrariamente alle altre unità di misura, il chilogrammo è l'unica unità base che contiene già un prefisso, quindi questi si applicano al grammo. Si segnalano alcune particolarità: il megagrammo (106 grammi) viene chiamato tonnellata, 100 chilogrammi, sono detti quintale. Tali unità di misura, sono riconosciute in virtù del loro largo uso. Sempre nell'uso comune, il chilogrammo e l'ettogrammo vengono talvolta indicati semplicemente come "chilo" ed "etto", dando per scontata l'unità di misura. 13 Simbolo grandezza m Simbolo Unita di Misura Kg wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali SCHEDA OPERATIVA Il Peso del Refrigerante 14 Le bilance che attualmente si impiegano sono quasi esclusivamente di tipo elettronico con spiccate proprietà di ripetibilità ovvero quel dato che si riferisce a pesate per lettura diretta. Cioè a come si ripeta la lettura della bilancia se uno stesso oggetto viene ripetutamente posto sul piatto. Per effettuare letture correte è indispensabile porre la bilancia su di un piano rigido e stabile per evitare l’introduzione di possibili errori dovuti alla pendenza o all’instabilità della superfice medesima. Nel operare con i refrigeranti per la loro reintroduzione in bombala si ricorda che gli stessi dovrebbero sempre risultare essere esclusivamente in fase liquida. wwww.teknologieimpianti.it 7 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Il Tempo = Secondo Il secondo è definito come la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133 . 15 Simbolo grandezza t Simbolo Unita di Misura s wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Intensità di Corrente = Ampere Un ampere è l'intensità di corrente elettrica che, se mantenuta in due conduttori lineari paralleli, di lunghezza infinita e sezione trasversale trascurabile, posti a un metro di distanza l'uno dall'altro nel vuoto, produce tra questi una forza pari a 2 · 10-7 newton per metro di lunghezza . L'ampere prende il nome da André-Marie Ampère, uno dei principali scopritori dell'elettromagnetismo. Nell'ambito delle unità di misure SI valgono le uguaglianze: 16 Simbolo grandezza Ioi Simbolo Unita di Misura A wwww.teknologieimpianti.it 8 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali SCHEDA OPERATIVA Pinza Amperometrica - Corrente La pinza amperometrica è uno strumento di misura che si utilizza per rilevare correnti su parti di un impianto che non possono essere messe fuori servizio. E’ costituito da due ganasce mobili che si chiudono formando un anello dove viene inserito il singolo conduttore in cui passa la corrente. Così facendo si genera una corrente indotta con un relativo campo magnetico. Questa corrente risulta essere proporzionale alla corrente che si vuole misurare. Lo strumento la misura e tramite una serie di calcoli matematici ci rende il valore della corrente da misurare. Bisogna ovviamente fare attenzione a porre nella spira un unico filo; infatti entrambi i fili genererebbero campi magnetici opposti con relative correnti indotto che si andrebbero ad annullare segnando così una misura pari a 0. 17 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali SCHEDA OPERATIVA Pinza Amperometrica – Tensione (Volt) 18 Per effettuare questa misura si impiegano i due terminali ed i relativi cavi messi a disposizione con la pinza (vedi immagine)e posizionando i due terminali sui due punti di cui si vuole misurare la differenza di potenziale. In questo modo si può determinare la differenza di tensione esistente ai capi dell’avvolgimento di marcia di un compressore monofase; basterà posizionare i terminali tra il comune e la marcia del compressore medesimo. Bisogna infine ricordare che quando un carico elettrico viene alimentato si genera una differenza di potenziale ai capi del carico stesso e allo stesso modo si può rilevare una differenza di potenziale ai capi di un circuito aperto. wwww.teknologieimpianti.it 9 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali SCHEDA OPERATIVA Pinza Amperometrica – Resistenza (Ohm) Sempre con i terminali in dotazione alla nostra pinza multifunzione si possono determinare anche i valori di resistenza di circuito. Ad esempio nel caso di un relè la resistenza assume valori propri dati dalle particolarità del relè medesimo (non è quindi ne nulla ne infinita). Posizionando i terminali ai capi della bobina lo strumento indicherà direttamente il valore della resistenza misurata. Se al contrario si posiziono i terminale sul contatto normalmente chiuso (NC) del relè la resistenza assumerà valore pari a 0. Questo indica una continuità nel circuito. Se, in fine, si posizionano i terminali sul contatto normalmente aperto (NO) sul lettore dello strumento apparirà la sigla O.L. e la resistenza assumerà un valore infinito. Questo indica un circuito aperto. 19 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali La Temperatura = Centigradi o Kelvin? In numerosi paesi la graduazione ufficiale della scala termometrica è quella di Celsius, (astronomo svedese (1701-1744) che per definire il proprio metodo di misurazione stabilì due punti fissi: il punto di congelamento e il punto di ebollizione dell'acqua. La temperatura di fusione del ghiaccio è di O° C; il punto di ebollizione dell'acqua alla pressione atmosferica di 1.013 mbar è di 100°C. L'intervallo compreso tra questi due punti è suddiviso in 100 parti uguali, chiamate gradi Celsius. Nei paesi anglofoni la temperatura viene ancora espressa in gradi Fahrenheit (CF), ma si dovrà attuare il progressivo passaggio alla scala Celsius. Fahrenheit (fisico Tedesco, 1686-1736) determinò il punto zero della sua scala per una temperatura ambiente molto bassa, misurata negli Stati Uniti, che egli situò 32°F al di sotto della temperatura di congelamento dell'acqua. Come punto fisso superiore, egli assunse il punto di ebollizione dell' acqua e divise l'intervallo così ottenuto in 180 parti. 20 Simbolo grandezza t Simbolo Unita di Misura K wwww.teknologieimpianti.it 10 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali La Temperatura = Centigradi o Kelvin? Questo fa si che il punto di ebollizione in questa scala si trova a (180+ 32)= 212°°F. A un intervallo di 5 K della scala Celsius corrisponde un intervallo di 9F della scala Fahrenheit. TC = 5/9 * (TF – 32) oppure TF = 9/5 * Tc + 32 1 grado Fahrenheit = a 0,55 °C - 1 grado Centigrado = a 1,8 °F 21 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali La Temperatura = Centigradi o Kelvin? La temperatura più bassa immaginabile, ma comunque impossibile da raggiungere, corrisponde a -273,15 °C, ossia a 0 K (0 kelvin), temperatura detta anche zero assoluto. Prende il nome dal fisico e ingegnere irlandese William Thomson, nominato barone con il nome di Lord Kelvin. Egli propose per primo questa definizione nel 1868, partendo dalla considerazione termodinamica che esiste una temperatura minima assoluta, lo zero assoluto. Per praticità è stata però mantenuta invariata, rispetto alla preesistente scala Celsius, la dimensione di una unità (Δ 1 K ≡ Δ 1 °C): in questo modo le differenze di temperatura nelle scale Celsius e kelvin sono numericamente uguali. Mentre la scala Celsius (o centigrada), è pratica dal punto di vista umano, in quanto si basa sulla temperatura di congelamento e di ebollizione dell'acqua (che sono temperature di cui si ha quotidianamente esperienza diretta), quella kelvin è più rigorosa (prende atto esplicitamente della presenza di un minimo assoluto di temperatura) e si presta ad essere usata come unità di misura. °K= °C + 273,15 22 wwww.teknologieimpianti.it 11 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali La Temperatura = Centigradi o Kelvin? Il kelvin è definito come 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua. Per "temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua" si intende la differenza di temperatura fra lo zero assoluto (pari a -273,15 °C) e il punto triplo dell'acqua (0,01 °C). Lo zero della scala kelvin è lo zero assoluto di temperatura. Il punto triplo è determinato dai valori di temperatura e pressione a cui coesistono le fasi solida, liquida e aeriforme di una sostanza. Questi valori dipendono solamente dalla sostanza in questione e possono essere determinati con notevole precisione. Il punto triplo di varie sostanze è dunque utile per la calibrazione di strumenti di misura. In particolare la temperatura del punto triplo dell'acqua è utilizzata per la definizione della scala Kelvin ed è fissata a 273,16 K, la pressione corrispondente è circa 6 millibar = 6x102 Pa. In altre unità di misura il punto triplo si trova a 0,01 °C e 6,04x10-3 atm. 23 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Lo Zero Assoluto Allo zero assoluto ogni moto degli atomi si annulla. È sempre difficile immaginare lo zero assoluto, in quanto a esso corrisponde un volume praticamente nullo. Ciò trova una spiegazione assai semplice: prima di raggiungere lo zero assoluto tutti i gas conosciuti liquefano, mentre allo zero assoluto solidificano. Si immagini 1 m cubo di gas a temperatura ambiente: passando alle temperature più basse il suo volume si riduce a qualche gocciolina; si può allora ammettere che il gas assuma un volume pressoché nullo. 24 wwww.teknologieimpianti.it 12 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … I TERMOMETRI Nel campo del condizionamento dell'aria e della refrigerazione si impiegano vari tipi di termometri, la maggior parte dei quali appartengono alla categoria dei termometri a contatto di cui citiamo i principali: Termometri a Dilatazione di Liquido: sono in vetro e il loro principio di funzionamento si basa sulla dilatazione termica di un liquido, la cui temperatura viene indicata dal livello raggiunto nel tubo capillare che lo contiene. Il loro campo di applicazione è compreso tra -200 e +630 °C. A seconda del liquido con cui sono riempiti, i termometri a dilatazione di liquido sono utilizzabili solo entro determinati campi di temperatura. Ad esempio: termometri a mercurio da -38,9 a +280 °C; termometri a pentano da -200 a +20 °C e termometri ad alcol etilico da -110 a +50 °C. Termometri a Dilatazione di Liquido e molla: chiamati anche "a tubo capillare", constano di due elementi principali: la sonda (o tubo da immersione), che costituisce il dispositivo di rilevazione; un organo deformabile (molla avvolta a spirale), disposto davanti a una scala graduata, che costituisce l'elemento di misura. Sonda e organo deformabile sono collegati con un tubo capillare e tutto il sistema è riempito con un liquido. 25 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … I TERMOMETRI Termometri Bimetallici: sono costituiti da due lamine metalliche saldate tra loro e caratterizzate da coefficienti di dilatazione lineare diversi. Quando la temperatura varia, la doppia lamina s'incurva verso il metallo il cui coefficiente di dilatazione è minore. Una lancetta collegata alla lamina indica la temperatura su un quadrante. Termometri Digitali: Per le misure si impiegano oramai in modo quasi esclusivo i termometri digitali, questi termometri hanno la caratteristica di mostrare direttamente il valore numerico sul visure della temperatura misurata dalla sonda ad essi collegata. Naturalmente bisogna sempre prestare attenzione alle caratteristiche dello strumento e in particolare ai campi di misura e al tipo di sonde collegabili che lo caratterizzano. 26 wwww.teknologieimpianti.it 13 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … SONDE DI TEMPERATURA a Termocoppia TIPO K TP 656 Sonda termocoppia tipo K per misure ad immersione, campo di misura da 0°C a 400°C, lunghezza stelo 70 mm. TP 647 Sonda di temperatura termocoppia a morsetto, per misure a contatto, campo di misura da 0°C a 180°C. 27 TP 657/1 Sonda con sensore tipo K adatta per misurare temperature di generi alimentari, campo di misura da 0°C a 200°C, lunghezza stelo 500 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … SONDE DI TEMPERATURA a Termocoppia TIPO K TP 659 Sonda di temperatura a penetrazione tipo K, campo di misura da 0°C a 500°C, lunghezza stelo 150 mm TP 755 Sonda per misure a contatto , campo di misura da 0°C a 800°C, lunghezza stelo 300 mm 28 wwww.teknologieimpianti.it 14 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … SONDE DI TEMPERATURA a Resistenza tipo Pt100 e Pt1000 TP 472 I.10 Sonda di temperatura ad immersione in fluidi con sensore Pt100 completa di modulo SICRAM. Campo di misura da - 50°C a +400 °C. Lunghezza stelo 1000 mm TP 475 A.0 Sonda ti temperatura per rilievi aeriformi con sensore Pt100 complete di modulo SICRAM. Campo di misura da -50°C a + 250°C. Lunghezza stelo 230 mm TP 87.1000 Sonda di temperatura ad immersione con sensore PT1000 completa di modulo SICRAM. Campo di misura da -50°C a + 400°C. Lunghezza stelo 230 mm TP 474 C Sonda di temperatura a contatto con sensore Pt 100 completa di modulo SICRAM. Campo di misura da -50°C a +400°C. Lunghezza stelo 230 mm 29 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … Effettuiamo la Misura SCHEDA OPERATIVA ARIA 30 Impiegare una sonda per Aria o in alternativa una sonda generica. Posizionarla nel flusso di aria da misurare ed attendere che le indicazioni di misura siano stabilizzate, in genere almeno uno o due minuti. Cercare di schermare eventuali fonti di calore o getti d’aria diretti che possono andare a sfalsare la misura medesima. ACQUA Per misurare la temperatura di liquidi che scorrono a pelo libero scegliere una sonda ad immersione e tenerla immersa nel flusso da misurare ed attendere che le indicazioni numeriche sul display si stabilizzino intorno ad un determinato valore. Per misurare la temperatura di liquidi che scorrono internamente a tubazioni scegliere una sonda ad immersione e tenendo conto del fatto che la temperatura vera del liquido potrebbe differire anche di 1° C da quella letta dalla sondo in pozzetto in funzione del suo stato di isolamente procedere con la lettura. Se il tubo è isolato rimuovere l’isolamento prima della lettura e ripristinarlo una volta effettuata la stessa. wwww.teknologieimpianti.it 15 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Temperatura … Effettuiamo la Misura SCHEDA OPERATIVA ACQUA Se il pozzetto è orizzontale o cumunque di inclinazione tale da non contenere liquido immettere pasta conduttrice e attendere due o tre minuti prima della lettura. Se il pozzetto è verticale o comunque in grado di contenere liquido riempirlo dello stesso e attendere duo o tre minuti prima di effettuare la lettura. Contatto con tubo o Superfice Per una misura di superficie scegliere una sonda a contatto per superfici, tenerla a contatto con la superfice da misurare ed attendere che l’indicazione sul lettore si stabilizzi. Se la superfice è isolata ripristinare l’isolamento prima di compiere la misura. Per una misura di tubo scegliere una sonda a contatto per tubi, applicarla al tubo dopo aver rimosso l’eventuale isolamento. Verificare che il contatto sia stabile ed attendere la stabilizzazione della lettura. Una volta terminata la misura ripristinare l’eventuale isolamento. 31 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Forza = Newton Per molto tempo l’unità di misura della Forza è stato il kg forza. Poi con l’avvento del SI questa è diventata il newton (simbolo: N). Il newton è l'unita di misura della forza e prende il nome da Sir Isaac Newton come riconoscimento per il suo lavoro nella meccanica classica. Venne adottato dalla conferenza generale sui pesi e sulle misure (CGPM) nel 1960. Visto che la Forza risulta essere uguale a massa per accelerazione questa viene definita come la quantità per accelerare un chilogrammo di massa di un metro al secondo quadrato. È inoltre l'unità di misura del peso, in quanto il peso è la forza che agisce tra due corpi a causa della gravità. Una massa di un chilogrammo, in prossimità della superficie terrestre, ha un peso di circa 9,81 newton, anche se questo valore varia per pochi decimi di punto percentuale nei vari punti della superficie terrestre. Per contro, su un corpo con una massa di 102 grammi la terra esercita una forza all'incirca un newton. È curioso notare che, se si prende per buona la storia su come Newton scopri la gravità, 102 grammi sono la massa di una piccola mela. 32 F=m*a F = Forza, m = massa a = accelerazione wwww.teknologieimpianti.it 16 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Forza = Newton Una forza è una grandezza fisica vettoriale che si manifesta nell'interazione di due o più corpi, sia a livello macroscopico, sia a livello delle particelle elementari, che cambia lo stato di quiete o di moto dei corpi stessi. La forza è descritta classicamente dalla seconda legge di Newton come derivata temporale della quantità di moto di un corpo. Da non confondere quindi il concetto di peso (che è una forza espressa in newton) con la massa (espressa in kg). Formalmente quindi la frase «peso 70 kg» sarebbe scorretta, in realtà, sul nostro pianeta, dovremo esprimerci come «peso 687 newton», oppure «ho una massa di 70 kg». Equazione Dimensionale: 1 Kgf = 9,81 N 1N = 0,1 Kgf una forza di 1 N imprime ad un corpo con la massa di 1 kg l'accelerazione di 1 m/s² 33 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Massa e Peso … meglio precisare Massa e peso di un corpo sono due grandezze tra di loro molto diverse e non devono essere confuse. La massa è una grandezza che fornisce una misura della quantità di materia che costituisce il corpo, cioè l’inerzia del corpo ad essere messo in movimento e conserva il suo valore ovunque si trovi. Il peso esprime la forza con cui il corpo è attratto dalla terra e dipende dal valore dell’accelerazione di gravità che varia da luogo a luogo. Misuriamo la Massa m = F/a massa = Forza/accelerazione m = P/g massa = Peso/accelerazione di gravità Una forza di 1 N imprime ad un corpo di massa di 1 kg l'accelerazione di 1 m/s² Nel Sistema Tecnico l’unità di misura è il kilogrammopeso è detto anche kilogrammo forza, per la conversione vale la relazione: 1kgf=9,80665 N 34 Misuriamo il Peso wwww.teknologieimpianti.it 17 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Lavoro, Energia e Calore = Joule La parola energia deriva dal tardo latino energīa, a sua volta dal greco energheia, parola usata da Aristotele nel senso di azione efficace. Fu solo nel 1619 che Keplero usò il termine nell'accezione moderna di energia fisica. L'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro. Dal punto di vista strettamente termodinamico l'energia è definita come tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura. In meccanica classica, il lavoro di una forza costante lungo un percorso rettilineo è definito come il prodotto scalare del vettore forza per il vettore spostamento: L = F x spost. (J = Nxm = kgxm2/s2) Anche l’energia (cinetica, meccanica, elettrica o termica) si misura in J. In genere il calore è indicato con Q. Simbolo grandezza EeQ Simbolo Unita di Misura J 35 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Introduzione al concetto di Calore Il calore è la manifestazione a livello macroscopico dello scambio di energia da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze di temperatura. Questo tipo di energia, associata alla temperatura del corpo, viene detta energia termica, ed è posseduta dal corpo, mentre il calore non è posseduto dal corpo, bensì è un'"energia in transito", quindi è associato ad un sistema di almeno due corpi interagenti. Secondo l'interpretazione corrente, la temperatura di un sistema, costituito da un grande numero di soggetti (o particelle) costituenti, è in generale proporzionale all'energia media per soggetto: il corrispondente flusso di energia tra due sistemi a diversa temperatura è allora attribuibile alle innumerevoli interazioni (casuali e non controllabili) tra i soggetti costituenti i due sistemi. In ciascuna di tali interazioni, che di solito avvengono a coppie, l'energia dei soggetti interagenti si conserva complessivamente, ma si ripartisce in modo da aumentare nei soggetti meno energetici e diminuire in quelli più energetici. 36 wwww.teknologieimpianti.it 18 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Parliamo di Calore 1 joule equivale a: Il joule, è un'unità di misura derivata del Sistema internazionale (SI). Il joule è l'unità di misura dell'energia, del lavoro e del calore (per quest'ultimo è più frequente la caloria), ed è definito come: 1 W·s (watt secondo) 1 kg·m2/s2 = 1 N·m = 1 W·s. Prende il nome dal fisico James Prescott Joule. 1 N·m (newton metro) Un joule è il lavoro richiesto per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro, perciò la stessa quantità può essere riferita come newton metro. 2,39·10-1 calorie Un altro modo di visualizzare il joule è il lavoro richiesto per sollevare una massa di 102 g (una piccola mela) per un metro, opponendosi alla forza di gravità terrestre. 9,48·10-4 British thermal unit (BTU) Un joule è anche il lavoro svolto per produrre la potenza di un watt per un secondo, esattamente come se qualcuno impiegasse un secondo per sollevare la mela di 102g. 1 chilowattora equivale esattamente a 3 600 000 J 37 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Potenza = Watt Il watt (simbolo: W) è l'unità di misura della potenza del Sistema Internazionale. Un watt equivale a 1 joule al secondo (1 J/s). Il watt prende il nome da James Watt per il suo contributo nello sviluppo della macchina a vapore In qualsiasi forma (cinetica, meccanica, elettrica o termica), per definizione è data da: P = L / tempo = E / tempo (W = J/s) Nel caso di scambi termici, si parla spesso di flusso termico: Pt = Ft = Q / t 38 Simbolo grandezza P Simbolo Unita di Misura W wwww.teknologieimpianti.it 19 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Potenza = Watt Una misura di potenza, non va confuso con il wattora che è una misura di energia. Quest'ultima corrisponde alla potenza di un watt fornita per un'ora, quindi 3.600 joule. Non appartiene al SI, in quanto contiene la misura del tempo in ore, ed è comunemente utilizzata per la tariffazione dell'energia stessa. Quindi una lampadina che assorbe 100 W, in due ore consuma 200 Wh (720.000 J). Domanda: Un apparecchio domestico avente la potenza di 0,75 kW se rimane in funzione per 5 minuti quanta energia consuma espressa in J? 39 Simbolo grandezza P Simbolo Unita di Misura W wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione = Pascal Si definisce pressione il rapporto tra l’azione di una forza F e una superfice di Area A su cui tale forza risulta essere applicata. L’unità di misura è il pascal (simbolo: Pa) è equivalente a un newton su metro quadrato (N/m2). L'unità di misura prende il nome da Blaise Pascal, un matematico, fisico e filosofo francese. Poiché 1 Pa equivale a una pressione piccola, l'ettopascal (simbolo: hPa) è più largamente impiegata, specialmente in meteorologia. Il chilopascal (simbolo kPa) è anch'esso di uso comune. P = F / A (Pa = N/m2 = kg/mxs2) Ricordando la legge dell’idrostatica (di Stevino): p = r x g x h - si capisce che la pressione si può indicare in metri colonna di fluido (in genere d’acqua: m.c.a.). 40 Simbolo grandezza p Simbolo Unita di Misura Pa wwww.teknologieimpianti.it 20 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione = Pascal Se il livello zero di riferimento è il vuoto, la pressione è detta assoluta. Se si fa riferimento alla pressione atmosferica, la pressione è effettiva o relativa, o manometrica. In passato infatti, si distingueva tra ata e ate. Il bar è un'unità di misura della pressione. Non fa parte del Sistema Internazionale di unità di misura, il suo uso, è comunque tollerato, purché nei documenti in cui si usa si riporti anche l'equivalenza in unità del SI. 1 bar = 105 Pa = 0,1 Mpa o 1 bar = 10 N/cm2 Un suo sottomultiplo molto usato è il millibar, simbolo mbar. 41 Simbolo grandezza p Simbolo Unita di Misura Pa wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione = Pascal Il Torr è una unità non SI di misura della pressione, equivalente ad un millimetro di mercurio (mmHg). È la pressione differenziale che supporta una colonna di mercurio alta 1 millimetro ovvero a 133,3223684 pascal. Il nome dell'unità ricorda Evangelista Torricelli, fisico e matematico italiano, cui si deve la scoperta del principio del barometro nel 1643, il quale usò un tubo capillare immerso in un vaso pieno di mercurio, chiamato appunto Tubo di Torricelli. 42 wwww.teknologieimpianti.it 21 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione … Alcune Integrazioni Nel Sistema Tecnico la pressione si misura in kilogrammoforza al centimetro quadrato (kgf/cm2) detto anche atmosfera tecnica (at), si tratta di un valore unitario molto prossimo alla pressione atmosferica al livello del mare. Il valore della pressione al livello del mare è detta atmosfera fisica (atm) e vale 1,033 kgf/cm2. La pressione misurata a partire dal vuoto (pressione nulla) si dice pressione assoluta e viene misurate in atmosfere tecniche (at) e viene indicata con il simbolo ata (atmosfere tecniche assoluta). Quando la pressione è misurata come valore di pressione eccedente quella atmosferica, si dice pressione effettiva e viene indicata con il simbolo ate. Peff= Pass-Patm = 8 ata – 1 atm = 8 – 1,033 = 6,97 ate 43 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione … e Liquidi In un recipiente contenente un liquido la pressione è in ogni punto pari all’altezza di colonna d’acqua stante su quel punto, ossia alla distanza tra il livello del liquido ed il livello del punto considerato. Vediamo ora che cosa accade se sulla superficie libera del liquido viene esercitata una pressione ulteriore, ad esempio mediante il pistone di cui la figura, pistone la cui faccia a contatto con il liquido ha una superficie di 100 centimetri quadrati e viene premuto con una forza di 100 chilogrammi. Si ha in tal caso ovviamente una pressione del pistone sul liquido pari a 100 kg per 100 cm2 ossia 1 kg per centimetro quadrato. Ebbene se noi misurassimo la pressione in qualunque punto del recipiente, noi troveremmo che essa e' in tutti i punti pari a 1 kg/cm2. Nei punti piu' bassi la pressione e' un po' piu' grande in quanto alla pressione esercitata dal pistone si aggiunge quella che corrisponde alla colonna di acqua. Se ad esempio il punto più basso B si trova a 1 metro di profondità rispetto al livello A della faccia premente del pistone, la pressione in A è di 2 kg per cm2, in B di 2 kg per cm2 più 0,1 kg per cm2 In definitiva entro i liquidi di una pressione esercitata in un punto qualsiasi si ritrova identica in tutti gli altri punti del recipiente posti allo stesso livello. 44 wwww.teknologieimpianti.it 22 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione … e AERIFORMI In primo luogo i gas occupano tutto il recipiente in cui vengono introdotti purche' naturalmente esso venga vuotato dell'aria che prima conteneva. In secondo luogo anche i gas pesano, e il loro peso non è trascurabile almeno per quanto concerne le applicazioni tecniche che ci riguardano. In terzo luogo i gas sono comprimibili ed elastici, mentre i liquidi, e l'acqua in particolare, si possono considerare praticamente incomprimibili. Riducendo il volume del recipiente in cui il gas è contenuto, il gas si comprime ossia esercita una pressione sulle pareti e si può dimostrare che la pressione è in relazione al volume, ossia, come si dice, è inversamente proporzionale al volume. Se il volume diventa metà, la pressione diventa doppia, se il volume diventa un terzo, la pressione diventa tripla, ecc. Come accade nei liquidi, anche nei gas la pressione è uguale in tutti i punti del recipiente e poichè il peso del gas è trascurabile, non è più il caso di cercare una differenza di pressione tra il punto alto ed il punto basso del recipiente 45 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione … Parliamo un po’ di pressione atmosferica In tutte le località poste al livello del mare o quasi, l'acqua sale poco più di 10 metri e poiché il metro di colonna d'acqua è pari a 0,1 kg/cm2, la pressione atmosferica è di poco superiore a 1 chilogrammo per centimetro quadrato. A 3.000 metri di altezza la pressione atmosferica scende già a valori dell'ordine di 0,7 kg/cm2 e tutti sappiamo che quanto più ci si innalza tanto più l'aria risulta rarefatta. La pressione atmosferica dipende anche dalla latitudine; la forza di gravità non è costante su tutta la terra, anche se le variazioni sono di piccola entità. Infine la pressione atmosferica varia per effetto dei fenomeni atmosferici: la temperatura, l'umidità relativa, il movimento dell'aria danno luogo ad oscillazioni dell'ordine di qualche decina di grammi per cm2, oscillazioni che si misurano con il barometro. 46 Altitudine sul livello del mare in metri 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Pressione atmosferica in kg/cm2 1,033 0,917 0,810 0,715 0,626 0,551 0,482 0,421 0,336 0,326 0,294 wwww.teknologieimpianti.it 23 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Pressione … Effettiva ed Assoluta La pressione indicata da un manometro viene chiamata pressione effettiva o pressione manometrica. Ora, dato che il manometro segna lo zero in corrispondenza alla pressione atmosferica, è evidente che se si misura la pressione di un gas o di un vapore contenuti in un recipiente, la pressione di tale gas o di tale vapore sarà quella indicata dal manometro più la pressione atmosferica. Tale pressione si chiama assoluta ed essa è maggiore di quella effettiva esattamente della pressione atmosferica. In altre parole, se il manometro applicato ad un apparecchio indica una pressione effettiva di 2 kg/cm2 la pressione assoluta sarà pari a 2 + 1,033 = circa 3 kg/cm2. 47 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Variazione di Temperatura e Pressione su un Fluido Tutti i fluidi sono soggetti, contemporaneamente, all'effetto delle variazioni della temperatura e della pressione. Per meglio illustrare questo concetto, riferiamoci ad uno dei fluidi piu' comuni: l'acqua. L'acqua e' un liquido quando, sottoposta alla pressione atmosferica esistente al livello del mare (1,03 Kg/cm2 di pressione assoluta), si trova ad una qualsiasi temperatura compresa tra 0 e 100°C. Se raffreddiamo l'acqua, abbassandone la temperatura sotto i 0°C, essa gela, passando dallo stato liquido a quello solido. Se al contrario la riscaldiamo oltre i 100°C, l'acqua bolle, passando dallo stato liquido a quello gassoso. Se la pressione atmosferica diminuisce il punto d'ebollizione si abbassa, mentre se la pressione aumenta anche il punto d'ebollizione . Per esempio. l'acqua sottoposta ad una pressione atmosferica di 0,64 kg/cm2 (pressione assoluta), bolle a 73,5°C; mentre alla pressione di 1,70 kg/cm2 (assoluti) il punto d'ebollizione è a 115,2°C. 48 wwww.teknologieimpianti.it 24 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Variazione di Temperatura e Pressione su un Fluido 49 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Pressione … Strumenti di Misura BAROMETRO Abbiamo visto che la pressione atmosferica è data anche dal peso di una colonna di mercurio alta 76 cm. Pero' tutto questo risulta esatto solo se compiamo l'esperimento al livello del mare. Invece, se noi ripetiamo l'esperimento in montagna, vedremo che la colonna di mercurio, anziche' di 76 cm, sara' per esempio di 70 cm. Piu' in alto noi ripetiamo l'esperimento, piu' bassa sara' l'altezza della colonna di mercurio. Cio' significa che la pressione atmosferica varia col variare dell'altitudine e quindi della densita' dell'aria: densita' che e' minore in montagna (infatti noi diciamo che l'aria e' piu' fine, piu' leggera). Il tubo di mercurio cosi' descritto, graduato in centimetri o in millimetri, formerebbe il barometro: uno strumento che segna la pressione atmosferica. 50 wwww.teknologieimpianti.it 25 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Abbiamo detto che le pressioni superiori a quelle atmosferiche si misurano con il manometro, uno strumento che prende come base di misura la pressione atmosferica, detta anche "atmosfera". Ad esempio, se in un serbatoio c'e' un fluido alla pressione di 3 volte di quella atmosferica (pressione, cioe' capace di sollevare una colonna d'acqua a mt 3 x 10,33 = 30,99) diremo che la pressione del fluido e' di 3,09 atmosfere. L'atmosfera e' quindi lo sforzo che esercita sui corpi la pressione atmosferica, ed e' uguale a kg 1,033 per cmq. Per semplificare i conteggi pratici, l'atmosfera si considera uguale non a kg 1,033 ma a 1 kg per cmq. La pressione di un liquido, di un gas, di un vapore si misura con i manometri. Il tipo Bourdon si impiaga per pressioni medie ed elevate, per le pressioni basse si usano in genere i manometri a membrana 51 M. a Membrana La Pressione … Strumenti di Misura MANOMETRI M. Bourdon Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Pressione … Strumenti di Misura MANOMETRI Manometro a Liquido: Il più antico manometro a liquido è il tipo con tubo a U, costituito da due tubi verticali in vetro raccordati da una curva nella parte inferiore. I due tubi verticali sono dotati di una scala graduata incisa; in alternativa, la graduazione può essere riportata su un supporto sul quale è fissato il tubo ad U. Manometri a Molla: Sono i manometri di impiego più diffuso, in particolare tra i frigoristi. In sostanza sono costituiti da un tubo curvato di circa 270°, di sezione ovale e con un'estremità chiusa, chiamato tubo di Bourdon dal nome del suo inventore. Quando al suo interno viene immessa una pressione la sezione ovale si deforma, tendendo ad avvicinarsi ad una sezione circolare e il raggio di curvatura aumenta. Questi strumenti possono avere diverse classi di precisione. Quelli di classe 0,6 o inferiore sono ad alta precisione. Manometro Elettrico: Per controllare il funzionamento degli impianti frigoriferi vengono utilizzate sonde che rilevano le variazioni di temperatura mediante cristalli piezoelettrici. Il campo di misura dei manometri piezoelettrici è da 0 a 20 mbar per i micromanometri e da 0 a 1.000 bar per i manometri industriali. Sono disponibili in commercio manometri piezoelettrici portatili con indicatore digitale. 52 wwww.teknologieimpianti.it 26 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura – Le Grandezze Fondamentali Misuriamo la Pressione SCHEDA OPERATIVA Strumenti Digitali Di ultima invenzione, sono in grado di rilevare, dopo aver selezionato il tipo di refrigerante, direttamente pressione e relativa temperatura di saturazione. Gli strumenti elettronici sono sicuramente più flessibili e di rapido impiego, quelli meccanici sono però più affidabili nel tempo perché non richiedono il ricorso periodico a tarature e verifiche. Misuriamo il Vuoto La misura viene normalmente eseguita durante le operazioni di vuoto tramite uno strumento particolare che prende il nome di vacuometro o manovuotometro. Il vuoto si ritiene raggiunto quando non è più presente aria nel circuito, non è più presente umidità residua o traccia di altri luidi e non ci sono perdite significative. Si ritieni si sia raggiunto un grado di vuoto sufficiente quando questo reggiunge i 400 µ di mercurio. Il manovuotometro è molto sensibile alle pressioni positive anche mediamente elevate. Per tale ragione è buona norma scollegarlo dall’impianto prima di procedere alla carica dello stesso. 53 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Volume Specifico o Massico Si definisce come Volume specifico (meglio sarebbe definirlo Volume massico) il rapporto tra t il volume e la massa m del corpo v= 1/ρ = V/m Il volume specifico rappresente il volume occupato dalla massa unitaria di un corpo omogeneo e si esprime in m3/kg 54 wwww.teknologieimpianti.it 27 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Peso Specifico Il peso specifico è definito come il peso di un campione di materiale diviso per il suo volume. PS = P/V Nel Sistema internazionale l'unità di misura è il newton/m3. Comunemente il termine peso specifico è usato come sinonimo di densità e per questo si trova molto spesso indicato come g/cm3 o kg/litro o kg/dm3. In questo caso i grammi sarebbero da intendersi secondo un'obsoleta definizione di grammi peso, non grammi massa, dove 1 grammo peso è il peso di 1 grammo massa in condizioni di accelerazione di gravità standard. La differenza è sottile e per la verità all'atto pratico la si può spesso ignorare, ma è opportuno tener presente che mentre la densità è un rapporto tra una massa e un volume, il peso specifico è un rapporto tra un peso (quindi una forza) e un volume. In generale, a meno di motivi specifici, è da preferire l'uso della densità.. 55 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Densità La densità o massa volumica di un corpo (spesso indicata dal simbolo ρ o anche δ) è pari alla massa per unità di volume. Se m è la massa e V il volume si ha dunque: Nel Sistema Internazionale la densità si misura in kg/m³; nel sistema CGS in g/cm³ o equivalentemente il g/ml. Nei fluidi, i corpi con densità minore galleggiano su quelli a densità maggiore, se sottoposti ad un campo gravitazionale. 56 wwww.teknologieimpianti.it 28 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Densità nei Fluidi e Temperatura Un esperimento didattico per verificare ciò consiste nel prendere una sfera metallica, di massa nota, che passi appena attraverso un anello metallico (anello di Gravesande). Se la sfera viene scaldata sufficientemente, non passerà più attraverso l’anello poiché con il riscaldamento ha subito un aumento di volume e quindi di raggio. Si può però facilmente verificare che la sua massa non ha subito alcuna variazione. Si ha pertanto una diminuzione della densità quando la temperatura aumenta. Questo comportamento è caratteristico di moltissime sostanze, indipendentemente dallo stato fisico in cui si trovano: con l’aumentare della temperatura la densità diminuisce. Come già enunciato un'eccezione notevole è costituita dall'acqua a temperatura compresa tra 0°C e circa 4°C; in questo intervallo un aumento di temperatura provoca una diminuzione del volume e quindi un aumento della densità. 57 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Densità nei Fluidi e Temperatura Per i liquidi, che assumono la forma del recipiente che li contiene, la misura della densità si effettua con il picnometro, un recipiente di cui si conosce il volume con precisione, oppure con matraccio tarato. Il rapporto tra la massa del liquido in esame ed il suo volume è la densità. Anche per i gas la misura della densità va fatta con speciali picnometri che vengono riempiti con il gas in esame alla pressione di 1 atm. Poiché il volume di un gas varia con la pressione e la temperatura, questi due parametri devono essere specificati quando si dà la densità di un gas. La densità di un gas, misurata in condizioni standard (P = 1 atm e T = 4 °C), viene definita densità normale e corrisponde al rapporto tra il peso molecolare (espresso in g) e il volume molare (22,414 litri). Sia per i fluidi che per solidi, la densità dipende dalla temperatura in quanto, generalmente, il volume di un solido varia al variare della temperatura. 58 wwww.teknologieimpianti.it 29 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Dilatazione Termica La dilatazione termica è il fenomeno fisico che accade quando in un corpo sia liquido, sia gassoso, sia solido si verifica un aumento di volume. A livello atomico, si spiega con la variazione dell'oscillazione degli atomi attorno ad un punto di equilibrio, che normalmente viene identificato con la lunghezza di legame. In realtà l'oscillazione non è simmetrica, ma è maggiore nel senso dell'allontanamento dal punto di equilibrio. A livello macroscopico ciò si traduce in un aumento del volume del materiale con l'aumento della temperatura. Come si desume dal nome, il materiale si dilata in risposta all'aumento di temperatura. Nel caso l'andamento di tale dilatazione in funzione della variazione di temperatura sia lineare resta definito il coefficiente di dilatazione termica. Nei corpi solidi, avvengono tre tipi di dilatazione: dilatazione cubica, dilatazione lineare e dilatazione superficiale. 59 Nell'esempio della figura, la pallina che passa facilmente attraverso il foro quando è fredda, non ci riesce dopo che è stata riscaldata e si è dilatata. Allo stesso modo in estate, all'aumentare della temperatura, si allungano i binari del treno, i ponti in cemento armato, i fili dell'alta tensione, ecc.. wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Dilatazione nei Solidi Nel 1976, nel corso di un'estate particolarmente calda, i giornali riportarono la notizia che un treno era deragliato perché, a causa dell'eccezionale surriscaldamento, le rotaie si erano allungate e avevano strappato gli ancoraggi. Supponendo che esse si fossero riscaldate da +25 a +85 °C, ossia di 60 K, la dilatazione lineare, calcolata con la formula seguente: Δl = l0 * α * (tF – tI) Δl = Dilatazione Lineare, l0 = Lunghezza iniziale, α = Coefficiente di dilatazione termico, tF = Temperatura Finale e tI = Temperatura Iniziale. Per evitare l'insorgere di tensioni nei tratti di tubazioni molto lunghi, e quindi la perdita di tenuta, vengono inseriti compensatori anche a forma di lira, detti perciò "lire" di dilatazione o dei giunti detti giunti di compensazione. Tra le temperature di O e + 100 °C, la dilatazione della maggior parte dei corpi è pressoché uniforme. La dilatazione di alcuni metalli in funzione della temperatura ha portato alla costruzione dei termometri bimetallici e degli interruttori termici (klixon). Vetro 0,000008 1/K, Acciaio 0,000011 1/K, Ottone 0,000019 1/K, Zinco 0,000030 1/K e Rame 0,0000161/K 60 wwww.teknologieimpianti.it 30 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Dilatazione dei Liquidi In natura anche i liquidi si dilatano quando vengono riscaldati e si contraggono se raffreddati. L'acqua, tuttavia, costituisce un caso particolare, perché si contrae tra 0 e +4 °C e comincia a dilatarsi soltanto a partire da quest'ultima temperatura. Solo alla temperatura di 8 °C essa torna ad assumere il medesimo volume che aveva a 0 °C. Il coefficiente di dilatazione volumica dell'acqua y aumenta con la temperatura: è pari a 0,00018 l/K a +18 °C e a 0,00078 l/K a +100 °C. L'acqua ha dunque la sua massima densità a +4 °C e ciò spiega perché un lago o uno stagno inizia sempre a gelare dalla superficie. Quando un vento freddo soffia sulla superficie di un lago, lo strato d'acqua superficiale si raffredda e, poiché diventa più pesante a causa dell'incremento della sua densità, si sposta verso il fondo; al contempo l'acqua più calda risale in superficie. Si stabilisce così un movimento dal basso all'alto e viceversa fin quando la temperatura dell'acqua non raggiunge i +4 °C in tutti i punti. Lo strato superficiale continua progressivamente a raffreddarsi, per cui esso diventa più leggero e rimane in superficie. Infine si ha la formazione di uno strato di ghiaccio via via più spesso. In fondo al lago la temperatura si attesta sui +4 °C, il che consente la sopravvivenza degli organismi presenti. 61 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Dilatazione dei Gas Lo stato fisico di un GAS è determinato dalla Temperatura, dal Volume e dalla pressione che costituiscono quelle che si chiamano grandezze di stato. In via generale, si chiamano gas tutte le sostanze che si presentano allo stato di fluido espandibile e comprimibile. Un gas perfetto è una sostanza gassosa che liquefa solo a temperature molto inferiori a 0 °C e che in natura non esiste allo stato liquido. È il caso ad esempio dell' ossigeno, dell' idrogeno, dell' azoto e dell' aria. Un gas reale è una sostanza gassosa che liquefa facilmente nelle normali condizioni di temperatura e pressione (20°°C e 1.013 bar). È il caso ad esempio dell'ammoniaca, dell'anidride solforosa e del cloro. 62 wwww.teknologieimpianti.it 31 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Equazione di Stato dei Gas Perfetti Soltanto i gas perfetti seguono rigorosamente le leggi che andremo ad enunciare (non a caso dette anche leggi dei gas perfetti). Tuttavia queste leggi possono essere applicate anche ai gas reali, in quanto le differenze che essi presentano rispetto ai gas perfetti sono in genere molto modeste. La sua espressione più comune è: P*V=n*R* T in cui P è il valore della pressione del gas; V è il volume occupato dal gas; n sono le moli del gas; R è la costante universale dei gas, il valore varia in funzione delle unità di misura. (nel SI R = 8,314472 J / mol * K) T è la temperatura assoluta del gas, espressa in kelvin. 63 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate La Dilatazione dei Gas Da ciò si deduce come il comportamento di un gas venga descritto da tre grandezze quali pressione, volume e temperatura. Vedremo ora quale sarà il rapproto fra due di queste tenendo ferma la terza. Primo Caso: A pressione costante (tenendo ferma la pressione) il volume di una massa di gas e direttamente proporzionale alla sua temperatura. Ovvero se aumento il volume aumenta la temperatura del gas e viceversa. Secondo Caso: A temperatura costante, il volume di una massa di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione. Si prenda ad esempio un cilindro se comprimo il gas al suo interno dimezzando il volume la pressione raddoppia e se aumento il volume la pressione dimezza. Si dice che in questo le due grandezze sono inversamente proporzionali. Terzo Caso: 64 A volume costante la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura. Ovvero se fingessimo di avere un qualunque circuito in pressione privo di vaso di espansione (che tramite una variazione di volume consente di stabilizzare la pressione) noteremmo che elevando la temperatura del circuito in automatico si eleverebbe anche la pressione e diminuendola la presionne andrebbe a calare. wwww.teknologieimpianti.it 32 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Altre Derivate 65 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Regole di Scrittura 1. Quando si usano i simboli, questi devono essere indicati con l'iniziale minuscola, ad eccezione di quelli in cui l'unità di misura deriva dal nome di una persona; 2. ad esempio, per il chilogrammo si scrive kg e non Kg, mentre il simbolo SI della pressione, dedicato a Blaise Pascal, è Pa, mentre l'unità di misura viene scritta per esteso in minuscolo pascal. 3. Il secondo è s e non sec, il grammo g e non gr. L'unica eccezione è permessa per il litro dove è accettabile sia la l che la L. 4. Al contrario delle abbreviazioni, i simboli del SI non devono mai essere seguiti da un punto (per il metro: m e non m.); 5. essi devono inoltre seguire il valore numerico e non precederlo (si scrive 20 cm, e non cm 20) con uno spazio tra i numeri ed i simboli: 2,21 kg, 7,3 · 102 m². 6. Nelle unità di misura composte, (ad esempio il newton metro: N m) i simboli delle singole unità devono essere separati da uno spazio o da un punto a mezza altezza; 66 wwww.teknologieimpianti.it 33 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Regole di Scrittura 7. non è ammesso l'uso di altri caratteri, come ad esempio il trattino: ad esempio si può scrivere N m oppure N·m, ma non N-m. 8. In caso di divisione fra unità di misura, si può usare la frazione / (o la barra orizzontale) o un esponente negativo: ad esempio J/kg o J kg-1 o J·kg-1. 9. Qualora necessario, gruppi di unità di misura si possono mettere fra parentesi: J/K mol o J/K·mol o J·K-1·mol1 o J (K·mol)-1. 10. È preferibile non usare il corsivo o il grassetto per i simboli, in modo da differenziarli dalle variabili matematiche e fisiche (ad esempio, m per la massa, l per la lunghezza). 67 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Conversione di Misura 68 wwww.teknologieimpianti.it 34 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Conversione di Misura 69 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Conversione di Misura 70 wwww.teknologieimpianti.it 35 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Conversione di Misura 71 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 2 Il Sistema Internazionale delle Unita di Misura - Le Grandezze Derivate Conversione di Misura – Casi Particolari Per definizione 1 bar = 105 Pa (utile perché circa uguale alla vecchia atmosfera tecnica at) In passato si distingueva tra piccola caloria (cal) e grande caloria (Cal), tenendo conto che: 1 Cal = 1000 cal = 1 Kcal Nel vecchio Sistema Tecnico, quando la macchina in questione è un gruppo frigorifero, oppure quando si determina il carico frigorifero di un edificio, si preferisce usare la frigoria (Frig) al posto della Kcal (qualcuno dice che la Frig è la Kcal negativa). Va tenuto presente che 1 Frig = 1 Kcal. Come potenza di una macchina termica, nei paesi anglosassoni, è tuttora usato il Ton: 1 Ton = 3024 Kcal/h = 3.507,8 W quando si considerano grosse quantità di energia, si fa spesso uso della Tonnellata equivalente di petrolio: 1 Tep = 107 kcal = 41.868 GJ 72 wwww.teknologieimpianti.it 36 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Calore ed Energia Termica Dal punto di vista microscopico, l'energia termica di un sistema rappresenta l'energia cinetica media Ec delle particelle del sistema, che tiene conto dei movimenti di traslazione, di rotazione e di vibrazione delle particelle, ed aumenta all'aumentare della temperatura. Può essere espressa da: dove è la costante di Boltzmann e T è la temperatura assoluta. 73 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Calore Tutti i corpi sono costituiti da molecole, soggette a dei moti continui tra loro. Il calore non è altro che questo moto. Fornendo calore ad un corpo se ne aumenta l'agitazione molecolare. Sottraendo invece calore l'agitazione molecolare viene ad essere rallentata, fino ad arrestarsi del tutto alla temperatura dello zero assoluto (273°C). In questa condizione tutto il calore risulta estratto dal corpo. Il calore tende naturalmente a fluire da dove è presente a un livello maggiore, verso dove è presente a un livello minore. Questa è una condizione molto importante poichè determina ciò che noi chiamiamo "freddo". Infatti in natura non si può parlare di freddo ma solo di calore, che può trovarsi a livelli diversi. Possiamo ora anticipare una considerazione: tutte le macchine cosiddette frigorifere non "producono freddo" bensì sottraggono calore ai corpi o ai fluidi che devono trattare. Infatti il frigorifero è una macchina dotata di un vano freddo, la quale trasferisce all’ambiente esterno il calore che il vano contiene in eccedenza rispetto al livello desiderato. Il frigorifero svolge questo lavoro impiegando i tre diversi modi con cui il calore si trasferisce: Conduzione, Convezione e Irragiamento. 74 wwww.teknologieimpianti.it 37 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Calore Il calore è energia che il nostro sistema scambia con l’esterno attraverso il contorno. Il calore non è quindi posseduto dal sistema ma è energia che viene identificata come calore solo nel momento in cui attraversa il contorno del sistema stesso. Oltre ai cambiamenti di stato la variazione di energia interna può provocare la dissociazione io l’aggregazione in componenti diversi ; è questo, ad esempio il caso della combustione. Altra caratteristica del calore è che non può venire immagazzinato ma deve essere immediatamente convertito in qualche altra forma di energia dopo che ha attraversato il contorno del sistema. Il calore passa spontaneamente dai corpi a temperatura più alta a quelli a temperatura più bassa. Per convenzione si assume che il calore sia positivo quando entra nel sistema e sia negativo quando viene rimosso dal sistema (esce dal sistema). Per concludere si definisce processo adiabatico un processo in cui non avviene nessuno scambio di calore. Nel caso in cui si parli di scambio di calore per unità di tempo si ottiene una potenza W [J/s]. 75 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Unità di Misura del Calore La quantità di calore contenuta in un corpo non si misura direttamente; ma si ottiene per differenza nel corso dello scambio termico con un corpo di riferimento. La misura si effettua mediante complesse apparecchiature denominate calorimetri. L'unità di misura scientifica della quantità di calore è il joule (pronunzia "Giaul"). Nell'uso pratico si impiega comunemente la chilocaloria (kcal), unità che equivale alla quantità di calore che è necessario fornire a un kg di acqua per innalzarne di un grado la temperatura (in condizioni standard, cioè a pressione atmosferica e nell'intervallo tra 14,5 c 15,5°C). Mantiene lo stesso nome di chilocaloria l'unità di misura della quantità di calore che e necessario sottrarre per ottenere un abbassamento di temperatura. Si considera ormai improprio l'uso del termine Frigoria nel senso di Chilocaloria sottratta. Nei paesi anglosassoni ha trovato largo impiego la British Thermal Unit (BTU). Questa unità di misura della quantità di calore, che vale 0,252 kcal, si trova quindi frequentemente citata nel materiale illustrativo di apparecchiature provenienti da tali paesi, ma andrà in disuso in base a recenti accordi internazionali. Si tenga presente che: 1 Kcal = 4.186,8 J 76 wwww.teknologieimpianti.it 38 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Principio ZERO l principio zero della termodinamica (detto talvolta zeresimo principio della termodinamica) stabilisce che, se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B, e se il corpo B è a sua volta in equilibrio termico con un altro corpo C, allora A è senz'altro in equilibrio termico con il corpo C. Tale legge puo` essere espressa in termini matematici nel seguente modo: dove con T è indicata la temperatura dei corpi A, B e C. Sebbene sembri immediato, questo principio non può essere dimostrato a partire dagli altri principi della termodinamica, e va quindi specificato a parte. Questo principio viene utilizzato per effettuare una misura della temperatura, se viene intesa come proprietà che determina se un corpo è in equilibrio termico con altri corpi oppure no. Due corpi in equilibrio termico fra loro sono alla stessa temperatura. Sebbene sia concettualmente un'assunzione basilare, la sua funzione è stata riconosciuta dopo la formulazione e la popolarizzazione del primo e secondo principio della termodinamica, ed è stato pertanto deciso di attribuirgli il nome di "principio zero". 77 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Primo Principio della Termodinamica L’energia (calore + Lavoro) non si crea, non si distrugge ma si trasforma. Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto moto perpetuo di prima specie. 78 wwww.teknologieimpianti.it 39 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Secondo Principio della Termodinamica – L’ENTROPIA Un secondo concetto che si trova in termodinamica è l’entropia. Questa grandezza fornisce un mezzo per stabilire se un determinato processo può avere luogo in maniera naturale oppure no. Infatti i processi che aumentano il livello entropico sono possibili quelli che lo diminuiscono sono impossibili. Questo concetto è alla base del secondo principio della termodinamica. Questo principio tiene conto del carattere di irreversibilità di molti eventi termodinamici, quali ad esempio il passaggio di calore da un corpo caldo ad un corpo freddo. Nella formulazione di Clausius, si afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo. Nella formulazione di Kelvin-Planck, si afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato preveda che tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea sia interamente trasformato in lavoro. Non è possibile - nemmeno in linea di principio - realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%. Nella fisica moderna però la formulazione più ampiamente usata è quella che si basa sulla funzione entropia: in un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo. 79 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Terzo Principio della Termodinamica Questo principio, infine, stabilisce che l’entropia di qualunque sistema termodinamico posto alla temperatura dello zero assoluto è nulla. Come il secondo principio, a cui è strettamente legato, questo stabilisce l'impossibilità di una certa classe di fenomeni: la formulazione classica di questo principio afferma che non è possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche). Un'altra formulazione più moderna, ma equivalente, afferma che nello stato a minima energia l'entropia ha un valore ben definito che dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale. 80 wwww.teknologieimpianti.it 40 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base ENTROPIA In fisica l'entropia è una grandezza che viene interpretata come una misura del disordine di un sistema fisico o più in generale dell'universo. Viene generalmente rappresentata dalla lettera S. In termodinamica classica, S è una funzione di stato, che quantificando l'indisponibilità di un sistema a produrre lavoro. Quando un sistema passa da uno stato ordinato ad uno disordinato la sua entropia aumenta, questo fatto fornisce indicazioni sulla direzione in cui evolve spontaneamente un sistema. Nel Sistema Internazionale si misura in joule su kelvin (J/K). ogni volta che una certa quantità di energia viene convertita da uno stato ad un altro si ha una penalizzazione che consiste nella degradazione di una parte dell'energia stessa in forma di calore, in particolare questa parte non sarà più utilizzabile per produrre lavoro. 81 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base ENTALPIA L'entalpia, solitamente indicata con H, è una funzione di stato che esprime la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente. L'entalpia è definita dalla somma dell'energia interna e del prodotto tra volume e pressione di un sistema. Per le trasformazioni che avvengono a pressione costante in cui si ha solo lavoro di tipo meccanico la variazione di entalpia è uguale al calore scambiato dal sistema con l'ambiente esterno. L'entalpia si misura in joule (SI, Sistema internazionale) o in calorie e quindi è in tutto e per tutto un sinonimo di calore. Parlare di Entalpia o parlare di Calore vedremo in seguito che risulterà essere la stessa medesima cosa. 82 wwww.teknologieimpianti.it 41 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Il Calore Specifico Ogni sostanza manifesta un comportamento individuale nei confronti del calore. Si definisce calore specifico di una sostanza la quantità di calore che è necessario fornire per innalzare di 1 °C di temperatura di 1 kg della stessa sostanza. Nel caso dell'acqua si è stabilito per convenzione che tale quantità di calore equivalga a 1 kcal. Altre sostanze di uso comune hanno valori inferiori di calore specifico, ad esempio: acciaio 0,118 (kcal/kg ·C), alluminio 0,217 (kcal/kg ·C), ghiaccio 0,504 (kcal/kg ·C), acqua 1 (kcal/kg "C) Come si vede dalla tabella, il ghiaccio ha un calore specifico pari alla metà di quello dell'acqua di cui è costituito. Ciò introduce un concetto molto importante; il calore specifico di una sostanza non è una grandezza fissa, ma varia col variare delle condizioni di temperatura e di pressione alle quali la sostanza stessa è soggetta. In generale, il calore specifico si riduce notevolmente una volta oltrepassato il punto di congelamento della. sostanza in esame. Nella pratica della refrigerazione, la nozione di calore specifico è importante perché fornisce un'indicazione della quantità di calore che è necessario sottrarre per refrigerare a una data temperatura un dato peso di una data sostanza. E’ quindi uno degli elementi di calcolo per il dimensionamento dell'impianto frigorifero. 83 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base Il Calore Specifico Esistono infiniti modi per esprimere il calore specifico di una sostanza, poiché dipende dalla trasformazione termodinamica a cui è sottoposta. Si utilizzano quindi in pratica due valori, riferiti a una trasformazione isobara (trasformazione a pressione costante) oppure isocora (trasformazione a volume costante). Il calore specifico rispettivamente a pressione costante viene simboleggiato con CP, e il calore specifico a volume costante viene simboleggiato con CV. Cp > Cv 84 wwww.teknologieimpianti.it 42 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base I metodi di Trasmissione del Calore Si parla di trasmissione del calore quando dell'energia termica transita per effetto di un gradiente di temperatura. Il gradiente di temperatura costituisce la "forza spingente" affinché ci sia passaggio o trasferimento di calore nella direzione dal corpo a temperatura maggiore, verso un altro che si trovi a una temperatura minore. I modi conosciuti fino ad oggi della trasmissione del calore che sono: irraggiamento - convezione - conduzione La trasmissione del calore può avvenire naturalmente (senza spendere energia) sia forzatamente (spendendo energia) nel primo caso si fa un trasferimento da un ambiente a temperatura maggiore ad uno a temperatura minore. Nel secondo caso quando si trasferisce calore da un ambiente a temperatura minore ad un ambiente a temperatura maggiore è necessario effettuare un lavoro con impegno di energia. 85 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base La Conduzione Per conduzione termica si intende la trasmissione di calore che avviene in un mezzo solido, liquido o gassoso dalle regioni a più alta temperatura verso quelle con temperatura minore per contatto molecolare diretto (le altre modalità di passaggio - o trasferimento - del calore sono l'irraggiamento e la convezione). Il principio alla base della conduzione è diverso a seconda della struttura fisica del corpo: se la conduzione termica avviene nei gas è dovuta alla diffusione atomica e molecolare, se invece avviene nei liquidi e nei solidi è a causa di onde elastiche; nei materiali metallici il fenomeno è principalmente dovuto alla diffusione degli elettroni liberi dato che è trascurabile il contributo dell'oscillazione elastica del reticolo cristallino. La conducibilità termica diminuisce all'aumentare della temperatura e del peso molecolare, mentre aumenta debolmente all'aumentare della pressione. La conducibilità termica può essere stimata al variare della temperatura ridotta e della pressione ridotta per via grafica, utilizzando un diagramma generalizzato 86 wwww.teknologieimpianti.it 43 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base La Convezione La convezione è un tipo di trasporto causato da un gradiente di pressione e dalla forza di gravità, assente nei solidi e trascurabile per i fluidi molto viscosi, caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido. Il moto convettivo risultante è uno stato di moto caratterizzato da un alto grado di miscelazione, che dipende dal regime idrodinamico: in particolare, in regime laminare il grado di miscelazione è più basso, mentre in regime turbolento il grado di miscelazione è maggiore, e di conseguenza i coefficienti di scambio sono più elevati. Il fenomeno della convezione termica si ha quando un fluido (come l'acqua o l'aria) entra in contatto con un corpo la cui temperatura è maggiore di quella del fluido stesso. Aumentando di temperatura, il fluido a contatto con l'oggetto si espande e diminuisce di densità, e a causa della spinta di Archimede sale essendo meno denso del fluido che lo circonda che è più freddo, generando così moti convettivi, in cui il fluido caldo sale verso l'alto e quello freddo scende verso il basso (convezione naturale). 87 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base L’Irragiamento Al contrario della conduzione e della convezione, l'irraggiamento non prevede contatto diretto tra gli scambiatori, e non necessita di un mezzo per propagarsi. Quindi è un fenomeno che interessa ogni aggregato materiale, non importa se solido, liquido o gassoso, e avviene anche nel vuoto. Questo è giustificato dal fatto che il trasferimento di calore per irraggiamento avviene sotto forma di onde elettromagnetiche. Si ha sia emissione che assorbimento di radiazione elettromagnetica. È un fenomeno che si presenta ad ogni temperatura, ma solo a temperature abbastanza elevate il contributo allo scambio termico per irraggiamento supera i contributi per conduzione e convezione. La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento è infatti proporzionale a T4, cioè alla quarta potenza della sua temperatura. Al crescere della temperatura la sua importanza aumenta rapidamente fino a diventare il principale artefice della trasmissione del calore per temperature medio-alte. 88 wwww.teknologieimpianti.it 44 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 3 Elementi di Termodinamica di Base L’Irragiamento Fisicamente l'irraggiamento consiste nell'emissione di onde elettromagnetiche generate dagli atomi e molecole eccitati dall'agitazione termica, che si diseccitano emettendo fotoni di lunghezza d'onda proporzionale alla loro temperatura: per esempio i corpi a temperatura ambiente emettono fotoni nella gamma degli infrarossi, che per questo sono anche detti raggi termici. Corpi molto freddi irradiano microonde (quelli vicini allo zero assoluto semplici onde radio), mentre i corpi molto caldi arrivano ad emettere luce visibile, dapprima rossa (temperatura del cosiddetto calor rosso, circa 700 C°) poi sempre più bianca (temperatura del calor bianco, circa 1200 C°): man mano che la temperatura aumenta, la frequenza della luce emessa aumenta fino ai raggi ultravioletti, e ai raggi X. Il calore scambiato per irraggiamento si trasmette prevalentemente dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore; in realtà, l’energia si propaga in entrambe le direzioni, ma con minore intensità da quello freddo a quello caldo. Infatti, se un corpo emanasse soltanto e non assorbisse mai energia elettromagnetica, la sua temperatura raggiungerebbe lo zero assoluto. L’emissione e l’assorbimento dipendono dalla frequenza della radiazione, dalla natura del corpo e da alcune caratteristiche della sua superficie; un corpo avente una superficie scura è un buon assorbitore, mentre un corpo avente una superficie chiara è un buon emettitore. 89 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Stati di Aggragazione della Materia CORPI sono gli oggetti con le loro proprieta' contingenti, vale a dire dimensioni, forma, peso, ecc. SOSTANZA e la materia che costituisce i corpi, indipendentemente dalle suddette proprieta'. La materia presenta tre strati di aggregazione: solido liquido aeriforme sono solide le sostanze in cui le forze di coesione hanno notevole intensita', tale da determinare la costanza di volume e di forma (salvo l'intervento di azioni meccaniche esterne); sono liquide le sostanze, in cui le forze di coesione sono di gran lunga minori delle precedenti, che assumono la forma del recipiente in cui sono introdotte, pur avendo volume proprio. sono aeriformi le sostanze che, a causa delle ridottissime forze di coesione che legano le loro molecole, non possiedono volume ne' forma propria. 90 wwww.teknologieimpianti.it 45 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Gas o Vapore? Per chiarire la differenza tra gas e vapori occorre definire l'esistenza di una temperatura critica al di sopra della quale nessun aeriforme puo' venire liquefatto, anche se sottoposto a pressioni elevatissime. Si definiscono gas gli aeriformi che stanno a temperatura superiore della loro temperatura critica, vapori quelli che ne stanno al di sotto. SOSTANZE La temperatura critica e' caratteristica di una sostanza, vedi tabella seguente. «vapore» quando l'aeriforme si trova ad una temperatura prossima a quella di ebollizione alla pressione cui e' sottoposto; 193,0 Ammoniaca 132,4 Anidride carbonica 31,1 Metano -82,6 Propano «gas» quando la temperatura dell'aeriforme e' sufficientemente lontana da quella di ebollizione. TEMPERATURE CRITICHE (°C) Etere etilico 96,0 Ossido di carbonio -140,2 Aria (media) -140,0 Ossigeno -118,8 Azoto -147,0 Idrogeno -240,0 Acqua 374,0 Cloro 91 144,0 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Cambiamenti di stato - Evaporazione E' noto dalla fisica che quasi tutte le sostanze possono, in particolari condizioni di pressione e di temperatura, subire dei cambiamenti di stato fisico, passare cioe' da solido a liquido (o viceversa) oppure da liquido ad aeriforme (o viceversa). Il cambiamento di stato fisico da liquido ad aeriforme puo' avvenire secondo due modalita' diverse: per "evaporazione" o per "ebollizione" (o vaporizzazione). Il fenomeno dell'evaporazione e' una spontanea caratteristica di tutte o quasi le sostanze liquide; esso viene in qualsiasi condizione di temperatura e pressione ma in modo lento e graduale, interessando solo le particelle liquide che formano la superficie libera. Alcuni liquidi evaporano molto facilmente, ed anche piuttosto rapidamente (liquidi facilmente volatili) mentre per gli altri, il fenomeno e' talmente lento da non risultare apprezzabile. 92 Alcuni liquidi evaporano molto facilmente, ed anche piuttosto rapidamente (liquidi facilmente volatili) mentre per gli altri, il fenomeno e' talmente lento da non risultare apprezzabile. wwww.teknologieimpianti.it 46 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Cambiamenti di stato - Ebollizione Le cose cambiano notevolmente se il passaggio fra i due stati (liquido/aeriforme) viene artificialmente affrettato mediante somministrazione di calore dall'esterno: il liquido inizialmente aumenta la sua temperatura fino ad un valore - che per ogni singola sostanza dipende esclusivamente dalla pressione che su di essa viene esercitata - oltre il quale il fenomeno inizia in modo rapido e tumultuoso interessando tutta la massa. Si nota che durante lo svolgimento del fenomeno (cioè fino a quando tutto il liquido si e' vaporizzato) la temperatura rimane costante, pur continuando a somministrare calore dall'esterno. Si nota che durante lo svolgimento del fenomeno (cioè fino a quando tutto il liquido si e' vaporizzato) la temperatura rimane costante, pur continuando a somministrare calore dall'esterno. Tale temperatura viene definita "temperatura di ebollizione" della sostanza in questione. Completata la trasformazione, tutto il liquido si e' trasformato in vapore la cui temperatura, nell'istante finale, e' sempre eguale a quella di ebollizione. Continuiamo a dare calore, il vapore aumenta la sua temperatura allontanandosi cosi' dalle condizioni che favoriscono il cambiamento di stato. 93 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato E' possibile cambiare lo stato di un corpo riscaldandolo o raffreddandolo. GASSOSO Durante tutta la durata del cambiamento di stato, la temperatura del corpo resta costante Sotto una stessa pressione, il cambiamento di stato si effettua sempre alla stessa temperatura. Guarda le frecce: 1. Assorbimento di calore 2 - Solidificazione SOLIDO 94 1 - Fusione LIQUIDO 2. Restituzione di calore wwww.teknologieimpianti.it 47 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato Fornire o sottrarre calore a una sostanza può provocare un cambiamento di stato, cioè una variazione nello stato di aggregazione della materia. Se la temperatura scende sotto lo zero, l'acqua diventa ghiaccio. Cos'è accaduto? I legami tra le molecole, che tendono a mantenerle fisse in determinate posizioni, hanno prevalso sull'agitazione termica, che tende a farle oscillare intorno alle loro situazioni d'equilibrio. Quando si scalda un blocco di ghiaccio, il calore fornito va ad aumentare l'ampiezza delle oscillazioni, sinché si provoca una parziale rottura dei legami: le molecole sono libere di scorrere le une sulle altre e si entra nella fase liquida. Continuando a fornire calore, anche gli ultimi legami rimasti si spezzano e ogni molecola diventa libera di muoversi nello spazio: questa è la fase gassosa o fase di vapore. L'energia spesa per provocare un cambiamento di stato viene restituita quando la sostanza torna alle condizioni precedenti: Il calore necessario a provocare l’evaporazione viene restituito in fase di condensazione. 95 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato – LA FUSIONE Rappresenta il processo di transizione di fase dallo stato solido allo stato liquido. La temperatura a cui avviene il cambiamento di stato si chiamata punto di fusione. Quasi tutte le sostanze solide diventano liquide quando sono portate ad una certa temperatura, quasi tutte le sostanze liquide diventano solide se sono fatte raffreddare. Tutti i liquidi possono essere solidificati senza che la loro costituzione chimica sia compromessa, mentre non tutti i solidi possono essere fusi (legno). La fusione non si manifesta per tutte le sostanze allo stesso modo, in alcuni casi la sostanza prima passa in uno stato pastoso, in altre il passaggio è diretto. Durante la fusione a pressione costante la temperatura non varia, ma occorre comunque continuare a fornire calore. Questo calore è definito come: CALORE LATENTE DI FUSIONE 96 wwww.teknologieimpianti.it 48 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato – LA SOLIDIFICAZIONE Per ogni sostanza che passa dallo stato liquido a quello solido in modo brusco si può affermare che: Ogni sostanza che passa dalla stato liquido a quello solido, ad una data pressione, comincia a solidificare ad una temperatura determinata e tipica della sostanza stessa. Durante la solidificazione a pressione costante la temperatura non cambia. Sotto una data pressione il punto di solidificazione e fusione coincidono. La quantità di calore ceduta nelal solidificazione è uguale a quella assorbita dalla fusione. 97 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato – LA CONDENSAZIONE La condensazione (anche detta liquefazione) è la transizione di fase dalla fase gassosa alla fase liquida di una sostanza. Tale trasformazione si può eseguire a temperatura costante, per compressione se la temperatura del gas è inferiore a quella critica, oppure per raffreddamento con una fonte esterna o per espansione adiabatica. In ogni caso l'operazione di condensazione è esotermica ovvero cede sempre e comunque calore. Nel caso dei vapori, la condensazione può avvenire agendo solo sulla pressione, nel caso dei gas con temperatura di evaporazione minore della temperatura presente nell’ambiente occorre agire contestualmente su pressione e temperatura. Temperatura di rugiada: E’ la temperatura alla quale inizia il fenomeno della condensazione. Questa grandezza è in funzione dell’umidità relativa e della temperatura dell’aria. Maggiore è l’umidità relativa tanto più la temperatura di rugiada tende ad avvicinarsi alla temperatura dell’aria sino a raggiungerla per un valore di umidità pari al 100% detto anche condizione di saturazione. 98 wwww.teknologieimpianti.it 49 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato – LA VAPORIZZAZIONE L'ebollizione (o vaporizzazione) è il fenomeno fisico in cui si ha evaporazione all'interno di un corpo liquido. In assenza di ebollizione, l'evaporazione si ha solo sulla superficie del liquido, e rappresenta una transizione di fase. Il gas che si forma durante l'ebollizione si addensa in ammassi detti "bolle", da cui il nome del fenomeno. Le bolle gassose costituiscono la fase dispersa, mentre il liquido circostante è detto fase continua. L'ebollizione si verifica quando la tensione di vapore del liquido eguaglia la pressione. Siccome la tensione di vapore non è mai nulla, abbassando sufficientemente la pressione si può provocare l'ebollizione a temperature anche vicine al punto di congelamento. Per questo motivo, nello spazio esterno alla Terra non esistono corpi liquidi, se non racchiusi in atmosfere che esercitino una sufficiente pressione gravitazionale. Viceversa, alzando la pressione a temperatura costante si interrompe l'ebollizione. Siccome la tensione di vapore aumenta, all'aumentare della temperatura, si ha che, a parità di pressione, raffreddando un liquido in ebollizione, l'ebollizione cessa, mentre scaldando un liquido non in ebollizione, lo si porta in ebollizione. 99 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato – LA VAPORIZZAZIONE La temperatura di ebollizione a una data pressione è una caratteristica di una sostanza o miscuglio, detta "punto di ebollizione", determinata dai valori di temperatura e pressione in cui coesistono le fasi liquida e aeriforme di una sostanza. Durante il passaggio da fase liquida a fase gassosa, la sostanza assorbe una certa quantità di calore per vincere le forze di attrazione che tengono uniti gli atomi o le molecole, e la temperatura rimane costante finché tutta la massa liquida non è evaporata. La quantità di calore che occorre fornire in questa fase è detta: CALORE LATENTE DI VAPORIZZAZIONE Occorre tenere presente che il punto di ebollizione varia a seconda della pressione esterna cui la sostanza è sottoposta. Il calore latente di vaporizzazione è la quantità di calore che occorre fornire per fare evaporare un kilogrammo di una sostanza liquida a partire dalla sua temperatura di ebollizione. 100 wwww.teknologieimpianti.it 50 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Passaggi di Stato – LA VAPORIZZAZIONE Il vapore finché si trova in presenza del liquido che l’ha prodotto si dice VAPORE SATURO. Conoscendo la temperatura del vapore sturo se ne può conoscere la pressione e viceversa. Il vapore saturo di dice SECCO se non ha in sospensione particelle di liquido e UMIDO se ne ha. Quando tutto il liquido si è trasformato in vapore, continuando a fornire calore, aumentano temperatura e pressione del vapore che viene definito VAPORE SURRISCALDATO. l calore latente (di trasformazione) è la quantità di energia per unità di massa necessaria per ottenere una transizione di fase di una sostanza (cioè, ad esempio, per far passare la sostanza dallo stato solido a quello liquido). E' proprio su questo fenomeno di ebollizione (che può solo prodursi con l'assorbimento di calore) che è basata la tecnica attuale di refrigerazione. Ma, nel caso dell'acqua, bisogna raggiungere 100°C per farla bollire; mentre la maggior parte dei fluidi frigorigeni hanno una temperatura d'ebollizione (alla pressione atmosferica) nettamente al di sotto di 0 °C. E' così che l'R12 bolle a -29,8 °C e l'R22 a -40,8 °C. 101 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Calore Sensibile Si definisce calore sensibile la quantità di calore impiegata per spostare la temperatura di una sostanza dalla temperatura di partenza (per esempio dalla temperatura ambiente) alla temperatura alla quale è possibile il cambiamento di stato rapido dell'intera massa di quella sostanza. Nel caso dell'acqua, per elevare la temperatura dai 20°C dell'ambiente, ai 100°C ai quali, in condizioni normali di pressione, inizia l'ebollizione. Abbiamo stabilito che questa quantità di calore è pari a una kcal per ogni chilo d'acqua e per ogni grado di aumento della temperatura (in realtà questa quantità di calore non è costante al variare della temperatura, ma nel nostro esempio le differenze sono trascurabili). Se vogliamo portare a 100°C un chilo di acqua partendo dalla temperatura di 20°C dovremo dunque erogare (100 - 20) = 80 kcal. Allo stesso modo, so volessimo raffreddare un chilo d'acqua da 20·C a O °C dovremmo asportare calore pari a 20 kcal. Se a questo punto cessasse l'apporto della sottrazione di calore (trascurando l'influenza della temperatura ambiente) noi rimarremmo indefinitamente in presenza di un'acqua a 100°C che non evapora, o di un'acqua a O°C che non si solidifica in ghiaccio. La quantità di calore fornito in un caso e asportato nell'altro è infatti quella sufficiente a determinare la variazione di temperatura che è richiesta per consentire il cambiamento di stato. 102 wwww.teknologieimpianti.it 51 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Calore Latente Fornendo calore sensibile o asportandolo, noi abbiamo accelerato o rallentato i moti molecolari in una misura che ha riscontro nella corrispondente variazione di temperatura. Sappiamo però che un cambiamento di stato non consiste solo in una variazione dei moti molecolari, ma anche in una modificazione dell'assetto di aggregazione della sostanza e cioè in una rottura di legami molecolari (nel caso della fusione e della vaporizzazione) o in una creazione di nuovi legami (nel caso della condensazione e della solidificazione). Per consentire che ciò avvenga, è necessario fornire o asportare molta più energia, cioè molto più l calore. Questa seconda quantità di calore, che viene, assorbito o ceduto dalla sostanza durante il cambiamento di stato senza ulteriore variazione di temperatura (e quindi in modo non apparente) si definisce calore latente. Il calore latente di evaporazione è una quantità rilevante di calore, spesso maggiore di quella necessaria al semplice innalzamento della temperatura del liquido. Nel caso dell'acqua sono necessarie (come abbiamo visto) 80 kcal per portare un kg di liquido da 20 °C a 100 °C. Per ottenere la completa trasformazione in vapore dell'intera quantità di acqua è necessario fornire altre 540 kcal, che rappresentano l'energia richiesta dalla rottura dei legami molecolari. 103 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Surriscaldamento e Condensazione Quando si fornisce calore ad un vapore saturo si ottiene vapore surriscaldato. Il calore fornito si chiama calore di surriscaldamento. Visto che è già avvenuta l’evaporazione rientra in gioco il calore sensibile che provoca come sappiamo un aumento di temperatura. Condensazione è il passaggio da vapore a liquido. Invece di fornire è questa volta necessario andare a sottrarre una determinata quantità di calore perché avvenga detta trasformazione. La pressione determina quale è il punto (la temperatura) da cui inizia ad avvenire la condensazione. 104 wwww.teknologieimpianti.it 52 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Calore Latente di Congelamento Esiste anche un, calore latente di congelamento, che è necessario asportare da una sostanza dopo che essa è stata parlata alla propria temperatura di congelamento. Si tratta in genere di una grandezza meno rilevante di quelle riferite all'evaporazione, ma sempre importante rispetto alle quantità di calore sensibile che entrano in gioco. Nel caso di un kg di acqua a 20 °C, abbiamo sottratto 20 kcal per scendere alla temperatura di O °C. Dovremo sottrarre altre 80 kcal per ottenere il completo congelamento dell'intera quantità di acqua, benché questo cambiamento di stato avvenga senza ulteriore riduzione della temperatura. Ogni sostanza, e in particolare ogni sostanza alimentare, ha un proprio calore specifico e un proprio calore latente. Nel caso della conservazione a temperature superiori a quella di congelamento, è sufficiente tener conto della quantità di calore sensibile che occorre asportare per raffreddare la sostanza dalla temperatura ambiente a quella di conservazione. Nel caso della surgelazione si dovrà tenere conto di tre grandezze: 1) la quantità di calore sensibile di raffreddamento sino al punto di congelamento; 2) la quantità di calore latente di congelamento; 3) la quantità di calore sensibile di surgelazione necessaria per raggiungere i - 25°C. 105 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Calori Latenti a Confronto 106 wwww.teknologieimpianti.it 53 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 4 I Cambiamenti di Stato della Materia Diagramma Temperatura – Entalpia 1 – Calore Sensibile 2 – Calore Latente 107 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 5 L’Aria l’Umidità L'aria svolge sempre la funzione di veicolo del calore, sia quando esso deve esser trasportato dal contenuto della cella all'evaporatore, sia quando si deve smaltire nell'atmosfera il calore ricevuto dal condensatore. Non basta raffreddare un prodotto organico per conservarlo. L'aria che tutto avvolge e che contiene sempre una certa quantità di vapore d'acqua partecipa alle variazioni di temperatura in modo determinante ai fini della conservazione. L'aria fredda della cella può sottrarre ai prodotti umidità oltre che calore. Per evitare che ciò provochi una perdita di freschezza dei cibi, occorre determinare l'umidità dell'aria nella cella sin dalla fase di progetto del sistema. La più appariscente manifestazione dell'aria umida sono le nuvole di un cielo tempestoso. L'aria si definisce satura quando abbia assorbito la massima quantità di vapore possibile in quelle condizioni di temperatura e di pressione. Le nuvole sono visibili in quanto il vapore si è già parzialmente condensato in minute gocce d'acqua allo stato liquido. Il punto di rugiada è la temperatura alla quale l'aria raffreddata diviene satura dando inizio alla condensazione del vapore in eccesso. li vero vapore è un gas, invisibile sino a che non ha inizio lo sua condensazione. 108 wwww.teknologieimpianti.it 54 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 5 L’Aria l’Umidità Umidità Assulota e Umidità Relativa L'umidità relativa è il rapporto tra la quantità di vapore presente nell'aria considerata e la quantità che l'aria alla medesima temperatura potrebbe contenere se fosse satura. L'umidità assoluta è il peso in grammi del vapore contenuto in un metro cubo di aria. L'umidità assoluta e relativa è una variabile importante nel ciclo che l'aria compie nella cella trasferendo calore dai prodotti all'evaporatore. L'aria che lascia l'evaporatore si riscalda durante il passaggio nella cella asportando calore. Quindi ritorna all'evaporatore e viene raffreddata sino a poter ricominciare il ciclo. Con il raffreddamento avviene una deumidificazione dell'aria cioè una perdita di vapore d'acqua e una sua condensazione in forma di brina che si addensa sull'evaporatore. Tornando a scaldarsi al contatto con i prodotti, l'aria riacquista la capacità di assorbire altra umidità, che tende a sottrarre ai cibi alterandone le qualità e facendone diminuire il peso. Per evitare una sottrazione eccessiva di umidità occorre dimensionare l'evaporatore e tarare l'impianto evitando che si verifichino differenze rilevanti tra la temperatura voluta nella cella e la temperatura di evaporazione del fluido refrigerante. Più grande è la differenza tra le due temperature maggiore è la perdita di umidità del contenuto della cella. 109 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 5 L’Aria Umida SCHEDA OPERATIVA Misuriamo l’umidità dell’aria 110 La misura dell'umidità relativa si effettua indirettamente mediante lo psicrometro che è uno strumento costituito da due termometri ugualmente tarati, uno dei quali ha il bulbo ricoperto da una garza umida. Roteando lo strumento nell'aria in esame, o comunque facendo passare l'aria sui due bulbi, si nota che la temperatura letta sul termometro a bulbo umido è inferiore a quella letta sul termometro a bulbo asciutto. Il raffreddamento del bulbo umido è dovuto all'asportazione di calore, che è assorbito dall'evaporazione di parte dell'acqua che imbibisce la garza. La temperatura del termometro a bulbo umido differisce da quella del termometro normale tanto più quanto più l'aria misurata è secca, cioè ha un basso valore di umidità relativa. I prodotti alimentari conservati in cella frigorifera potrebbero cedere la propria umidità. Poiché tale perdita provocherebbe una alterazione delle qualità del prodotto, il controllo dell'umidità relativa dell'aria nella cella ha una importanza fondamentale per l’efficienza dell’impianto. wwww.teknologieimpianti.it 55 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 6 e per concludere … puntualizziamo un po’ di definizioni RICORDIAMO CHE 1. UN GAS PERFETTO: è un gas in cui le molecole sono puntiformi e interagiscono tra loro e con le pareti del recipiente mediante urti perfettamente elastici, non esistono forze di interazione a distanza tra le molecole del gas e dette molecole sono identiche tra loro e indistinguibili. Quindi un gas perfetto non può essere liquefatto per sola compressione e il calore specifico è costante, mentre nei gas reali è funzione della temperatura. 2. UN SISTEMA SI DICE IN EQUILIBRIO: Quando i parametri che definiscono il suo stato, pressione, temperatura, volume, ( nel caso di un fluido ) sono ben definiti e non variano nel tempo. 3. IL VAPORE SATURO: E’ un vapore che si trova in uno stato di equilibrio con la sua fase liquida, in cui il numero di particelle che passano dalla fase liquida a quella gassosa è uguale al numero di particelle che si condensano nel liquido; nel nostro caso può essere il vapore in presenza dell’ultima goccia di liquido, nella parte finale dell’evaporatore, ormai alla fine della fase di evaporazione o il vapore prossimo a condensare nel condensatore, nel punto ove si forma la prima goccia di liquido. 4. LIQUIDO SATURO: è il liquido in procinto di evaporare; siamo all’inizio della primissima fase di evaporazione; viceversa, potremmo anche essere alla fine della fase di condensazione, nel punto in cui nella parte liquida vi è ancora presenza dell’ultima bollicina di vapore. 111 wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 6 e per concludere … puntualizziamo un po’ di definizioni 5. VAPORE SURRISCALDATO: Siamo nella fase in cui il fluido è presente totalmente nella fase RICORDIAMO CHE gassosa e si trova ad una temperatura superiore del punto di condensazione. Vedi il fluido in uscita dall’evaporatore nel caso in cui sia però presente un minimo di surriscaldamento. 112 6. LIQUIDO SOTTORAFFREDDATO: Siamo nella fase in cui il fluido e’ presente totalmente nella fase liquida ed in assenza del suo vapore e si trova ad una temperatura inferiore del punto di evaporazione, vedi il liquido in uscita dal condensatore, o il liquido subito dopo l’organo di laminazione e prima di entrare in evaporatore. 7. TEMPERATURA CRITICA: Varia da fluido a fluido, e corrisponde a quella temperatura al di sopra della quale il fluido esiste solo in forma aeriforme o meglio allo stato di gas; 8. UN GAS: Si trova allo stato aeriforme e a temperatura ambiente non può essere liquefatto per semplice compressione in quanto si trova al di sopra della sua temperatura critica; tradotto in altro modo, per liquefarlo, devo prima portarlo al di sotto della sua Temperatura critica e poi pressarlo. 9. UN VAPORE: Si trova allo stato aeriforme e si trova ad una temperatura inferiore alla propria temperatura critica. Può essere trasformato in liquido per semplice compressione senza la necessità di doverlo raffreddare. wwww.teknologieimpianti.it 56 06/11/2012 I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi Parte 6 e per concludere … puntualizziamo un po’ di definizioni 10. PRESSIONE CRITICA: Possiamo parlare di pressione critica solamente se ci troviamo al RICORDIAMO CHE punto di temperatura critica e corrisponde alla pressione che dovremo applicare al fluido per farlo liquefare quando questo si trova alla temperatura critica. 113 11. TRASFORMAZIONE: In termodinamica per trasformazione si intende il processo tramite il quale un sistema passa da uno stato di equilibrio ad un altro. 12. TRASFORMAZIONE REVERSIBILE: E’ una trasformazione che, dopo aver avuto luogo, può essere invertita riportando il sistema nelle condizioni iniziali, senza causare alcun cambiamento nel sistema stesso e nell’universo; tradotto, non devo durante la trasformazione aver perso alcuna forma di energia (ne entalpia ne entropia). 13. TRASFORMAZIONE IRREVERSIBILE: viene da se che la definizione è opposta a quanto sopra; se per riportare il sistema alle condizioni iniziali devo creare cambiamenti all’ambiente esterno o nel sistema stesso, questa, è una trasformazione irreversibile, cioè avviene tramite una perdita di energia sia in un verso che nell’altro. E’ ovvio che queste sono le trasformazione tipiche della natura con cui molto più spesso ci troveremo ad avere a che fare. wwww.teknologieimpianti.it I QUADERNI DEL FREDDO Materiale Didattico per il Conseguimento del QUADERNI del FREDDO Patentino per ilLinee Trattamento deiimpianti Gas Effetto Serra guida per freddo LEZIONE 1 – Termodinamica di Base per Circuiti Frigoriferi GRAZIE PER L’ATTENZIONE 57
