Conduzione Calore Irraggiamento Convezione.

Presentazione sul tema: "Conduzione Calore Irraggiamento Convezione."— Transcript della presentazione:

1 Conduzione Calore Irraggiamento Convezione

2 Conduzione

3 Conduzione

4 . A Q T1 T2 k è la conducibilità del materiale [W/mK] s
A è l’area della sezione normale al flusso [m2] s è lo spessore della parete [m] T1 e T2 sono le temperature delle facce [K] Conduzione

5 Conducibilità termica
La conducibilità termica è la potenza termica che si trasmette attraverso uno spessore unitario di materiale per unità di superficie e per differenza di temperatura unitaria. La conducibilità termica dei materiali varia moltissimo: metalli puri come il rame hanno un valore circa volte maggiore di quello di sostanze isolanti come la fibra di vetro. Conduzione

6 Conducibilità termica
Materiale k [W/mK] Schiuma uretanica 0,026 Aria 0,027 Fibra di vetro 0,04 Amianto 0,05 Legno(quercia) 0,18 Gomma 0,15 Teflon 0,35 Pelle umana 0,37 Mattone 0,72 Vetro 1,0 Calcestruzzo 1,4 Acciaio 15 Ferro 80 Alluminio 236 Oro 317 Rame 399 Argento 428 Conducibilità termica Conduzione

7 . parete piana T1 A Q T2 s T1 -T2 = 50 °C A = 1 m2 s =1 cm legno
k = 0,18 W/mK . Q = 900 W . Q mattoni k =0,72 W/mK . Q = W T2 s ferro k = 80 W/mK . Q = W T1 R T2 . Q Conduzione

8 parete cilindrica r1 r2 l . Q T1 R T1 T2 T2 . Q Conduzione

9 materiale k [W/mK] Q [W] schiuma uretanica 0,026 229 gomma 0,15 1.320
Per isolare un tubo che trasporta vapor d’acqua è possibile scegliere tra la schiuma uretanica e la gomma. Il raggio esterno del tubo è di 6 cm, lo spessore di isolante è di 2 cm, la temperatura della faccia interna dell’isolante è di 430 °C mentre di quella esterna è 30 °C. Quanta potenza termica si disperde per ogni metro di tubo nei due casi? materiale k [W/mK] Q [W] schiuma uretanica 0,026 229 gomma 0,15 1.320 Conduzione Esempio

10 Transitorio termico Ti Q T sfera metallica C = 11,4 J/K R = 0,05 W/K
sfera argilla C = 5,7 J/K R = 0,05 W/K sfera metallica C = 11,4 J/K R = 0, 5 W/K Ti Q T Conduzione

11 Diffusività termica Conduzione
La diffusività termica è una proprietà del mezzo, si misura in m2/s e caratterizza la velocità di propagazione del flusso termico conduttivo a causa di variazioni nel tempo della temperatura. Quanto più elevato è il valore della diffusività termica tanto più breve è il tempo perché l’effetto di propagazione penetri in profondità nel mezzo. La diffusività termica passa da valori dell’ordine di 10-8 m2/s per solidi non metallici a valori dell’ordine di 10-4 m2/s per solidi metallici. Conduzione

12 Diffusività termica Conduzione Argento Rame Oro Alluminio Ferro Aria
Acciaio Bakelite Sughero Calcestruzzo Fibra di vetro Amianto Schiuma uretanica Vetro 1,8 •10-7 Legno(quercia) a [m2/s] Materiale 3,5 •10-7 5,1 •10-7 7,3 •10-7 3,0 •10-7 2,2 •10-5 2,3 •10-5 9,7 •10-5 1,2 •10-4 1,3 •10-4 1,7 •10-4 1,2 •10-5 3,4 •10-7 3,6 •10-7 4,9 •10-7 4,0 •10-7 Mattone Gomma 6,2 •10-8 Diffusività termica Conduzione

13 Una lastra molto spessa è alla temperatura uniforme di 100°C; una faccia viene improvvisamente portata e mantenuta a 0°C. La perturbazione termica si propagherà nel mezzo: la temperatura varierà punto per punto e nel tempo. Il tempo necessario perché la temperatura scenda a 50 °C a 30 cm di profondità dipende significativamente dalla diffusività del mezzo: materiale diffusività tempo argento 1,7•10-4 10 minuti acciaio 1,2•10-5 2 ore sughero 5,1•10-7 2 giorni Conduzione Esempio

14 Una termocoppia è impiegata per misurare la temperatura dell’aria.
La giunzione è approssimabile ad una sfera di 1 mm di diametro. Dopo quanto tempo la termocoppia misura il 99% della differenza iniziale di temperatura nel caso di aria stagnante (h=40 W/m2K) e nel caso di moto forzato (h=400 W/m2K) ? r =8500 kg/m3 c=320 J/kg K k=35 W/m K Conduzione Esempio

15 aria stagnante Conduzione Esempio

16 aria in moto Conduzione Esempio

17 Una parete di legno dello spessore di 4 cm è inizialmente alla temperatura uniforme di 100 °C. All’improvviso viene esposta e mantenuta in un ambiente alla temperatura di 20 °C. Le due facce della parete trasferiscono energia all’ambiente con una conduttanza superficiale unitaria di 30 W/m2 K. =720 kg/m3 c=1255 J/kg K k=0,16 W/m K Conduzione Esempio

18 Temperatura [°C] Conduzione Esempio

19 Convezione

20 Convezione La convezione è il trasferimento di energia tra una superficie solida e un liquido o gas adiacente in moto. La convezione implica trasferimento di energia per conduzione e trasporto di massa. L’energia trasferita per convezione aumenta con la velocità del fluido; se la velocità è nulla si torna alla conduzione. Convezione

21 Convezione Naturale Se il moto del fluido è provocato da forze ascensionali indotte dalle differenze di densità dovute a variazioni di temperatura del fluido in un campo gravitazionale. Convezione

22 Convezione Forzata Se il moto del fluido è provocato da agenti esterni quali un ventilatore, una pompa o il vento. Convezione

23 Regime di moto Laminare Turbolento
Il moto ha un carattere ordinato: gli strati di fluido scorrono parallelamente senza mescolarsi. Il moto ha un carattere disordinato: le particelle di fluido si muovono in maniera irregolare mescolandosi tra loro. Turbolento Convezione

24 Regime di moto turbolento laminare u Convezione

25 Viscosità fluido u [m2/s] olio lubrificante a 300 K 60,1·10-5
0,80·10-5 olio lubrificante a 400 K aria a 300 K 1,57·10-5 aria a 1200 K 15,8·10-5 acqua a 300 0,086·10-5 acqua a 600 0,012·10-5 Convezione

26 Una lastra piana disposta orizzontalmente è investita da un fluido alla velocità uniforme di 1 m/s.
La lunghezza critica per il passaggio dal regime laminare a turbolento è: fluido xc [m] olio lubrificante 300 aria 8 acqua 0,4 Convezione

27 Coefficiente di comprimibilità
b è il coefficiente di comprimibilità isobarico; è una proprietà del fluido e si misura in [1/K]. fluido b [1/K] aria a 300 K 3·10-3 aria a 500 K 2·10-3 acqua a 300 K 2,7·10-4 acqua a 500 K 14·10-3 Convezione

28 hc= f (tipo di convezione, geometria, proprietà del fluido,
temperature, velocità ) Convezione

29 Convezione naturale hc [W/m2 K] DT=25 °C
• lastra piana verticale L = 0,25 m aria olio lubrificante 40 acqua Convezione

30 Convezione naturale hc [W/m2 K] DT=25 °C
• cilindro orizzontale D = 0,02 m aria olio lubrificante 60 acqua Convezione

31 Convezione naturale hc [W/m2 K] DT=25 °C • sfera D = 0,02 m aria 10
olio lubrificante 60 acqua Convezione

32 Convezione forzata hc [W/m2 K] • lastra piana verticale L = 0,25 m
aria w = 5 m/s aria w = 50 m/s 120 acqua w = 5 m/s • acqua che condensa a pressione ambiente film Convezione

33 Una termocoppia è impiegata per misurare la temperatura di un fluido in moto forzato alla velocità di 2 m/s. Essa è approssimabile ad una sfera di 1 mm di diametro; a regime stazionario disperde 200 W/m2 per irraggiamento. Che valore segnerà la termocoppia nel caso di aria e nel caso di acqua se la temperatura del fluido è comunque di 80°C? Convezione Esempio

34 Convezione Esempio

35 L’errore è di circa un grado
aria L’errore è di circa un grado acqua L’errore è di circa un decimo di grado Convezione Esempio

36 Irraggiamento

37 Irraggiamento L’irraggiamento è il trasferimento di energia che avviene attraverso le onde elettromagnetiche. Le cariche elettriche microscopiche, di cui ogni corpo è costituito, in virtù dell’agitazione termica emettono radiazione elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto senza attenuarsi alla velocità di km/s. Irraggiamento

38 raggi g radiazione termica onde radio raggi X microonde visibile
10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 10-8 10-6 10-4 10-2 10 103 105 107 1 102 104 106 109 108 1010 l mm visibile ultravioletto infrarosso Irraggiamento

39 radiazione termica solare ultravioletto infrarosso visibile
10-1 10 103 102 1 l mm 10-2 ultravioletto infrarosso visibile 0,40 0,44 0,44 0,49 0,49 0,54 0,54 0,60 0,60 0,63 0,63 0,76 Irraggiamento

40 Il corpo nero è l’emettitore perfetto
Legge di Stefan-Boltzmann Legge di Plank Legge di Wien Irraggiamento

41 corpo nero Enl l T1 T1 >T2 > T3 T2 T3 Irraggiamento

42 radiazione emessa da un corpo reale emittenza =
El l corpo nero corpo reale radiazione emessa da un corpo reale emittenza = radiazione emessa da un corpo nero alla stessa temperatura e = f (T, l) Irraggiamento

43 Corpo grigio emittenza indipendente da l
El l corpo nero corpo grigio corpo reale Irraggiamento

44 materiale emittenza oro lucidato 0,02 rame lucidato 0,03 0,30
rame tubo carta 0,90 0,93 mattone rosso acqua 0,96 legno 0,85 0,17 acciaio lucidato pelle umana 0,95 pittura bianca 0,98 Irraggiamento

45 radiazione riflessa da un corpo Coefficiente di riflessione =
radiazione incidente sul corpo radiazione trasmessa da un corpo Coefficiente di trasmissione = radiazione incidente sul corpo radiazione assorbita da un corpo Coefficiente di assorbimento = radiazione incidente sul corpo Irraggiamento

46 G rG aG tG Irraggiamento

47 e1 Se A1 << A2 A1 A2 Irraggiamento

48 Una termocoppia è impiegata per misurare la temperatura dell’aria in un ampio locale le cui pareti sono alla temperatura di 27°C. La giunzione è approssimabile ad una sfera di 1 mm di diametro, può essere considerata grigia con emittenza 0,6; la conduttanza convettiva è 50 W/m2K. Il valore indicato, nella condizione di regime stazionario, è di 40 °C. Che errore commette la termocoppia ? Irraggiamento Esempio

49 Irraggiamento Esempio

50 schermo Lo schermo riduce la potenza termica dispersa per irraggiamento e quindi l’errore sulla temperatura Irraggiamento Esempio