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  DISPENSE TECNICHE
 
  L'ACQUA
 
  LA PSICROMETRIA
 
 
       
 
  1. Composizione dell'acqua
  2. Durezza
  3. Costanti fisiche del ghiaccio
  4. Costanti Fisiche dell'acqua
  5. Costanti Fisiche del vapore acqueo
  6. Costanti Fisiche del vapore riscaldato
  7. Costanti critiche
  8. Umidità dell'aria
  9. Diagrammi psicometrici
 
 

L'acqua è una delle sostanze chimiche più importanti della Natura ed è fondamentale per la vita. Il fatto che la Terra sia collocata alla distanza corretta dal Sole consente che l'acqua sia presente nella biosfera nei suoi tre stati: gassoso, liquido e solido, e costituisce un fattore determinante dell'esistenza della vita terrestre. Oltre alla sua funzione biologica è essenziale anche per la vita e il suo contributo all'effetto serra sotto forma di vapore acqueo o per la sua funzione di pulizia della polvere atmosferica esercitata dalla pioggia.

All'interno del sistema globale mare-terra-aria è nota come "ciclo idrologico" la rappresentazione concettuale di scambio d'acqua sulla superficie terrestre, che viene schematizzata nel diagramma della Fig. 1.

Dei tre stati in cui l'acqua è presente nell'atmosfera predomina chiaramente quello gassoso. L'aria, che rappresenta la base dei processi di ventilazione e condizionamento, viene definita come una miscela di "aria asciutta" e vapore acqueo. Per questo motivo abbiamo inserito qui l'acqua e parleremo in primo luogo delle sue caratteristiche.

Fig. 1. Ciclo idrologico

 
 
 
  1. Composizione dell'acqua
 
 
 

L'acqua pura (piovana) ha come formula H2O. È una combinazione chimica di due volumi di Idrogeno e uno di Ossigeno che, rappresentato in peso è costituito da un 11,3% di H e un 88,7% di O.

L'acqua normale è impura poiché contiene sali, materia organica e gas disciolti (30 cm³ di aria per litro).

 
 
 
 
  2. Durezza
 
 
 

Viene definita acqua dura quella che contiene una soluzione di sali di Magnesio, Ferro e Calcio.

La durezza può essere Temporanea, quando contiene CO2 che scioglie i carbonati metallici. Si elimina aggiungendo calce spenta (OH)2Ca.

E può essere Permanente, quando contiene solfati o cloruri. Si "addolcisce" aggiungendo carbonato sodico. Questa durezza è quella che causa le incrostazioni corrosive per via elettrolitica.

 
 
 
 
  3. Costanti Fisiche del ghiaccio
 
 
 
Il ghiaccio è acqua in fase solida. Appare a zero gradi.
  • Peso specifico 920,8 kg/m³ a 0°C
  • Volume specifico 1,986 dm³/kg
  • Volume neve 12 dm³/kg
  • Calore specifico 0,475 kcal/grado·kg
 
 
 
 
  4. Costanti Fisiche dell'acqua
 
 
 
Corrispondono all'acqua a 4°C, 760 mm cdm.
  • Peso specifico 1.000 kg/m³
  • Volume specifico 1 dm³/kg
  • Calore specifico 1 kcal/grado·kg
 
 
 
 
  5. Costanti Fisiche del vapore acqueo
 
 
 

Il vapore è acqua in fase gassosa. Lo può fare a qualsiasi temperatura, da solo o assieme all'acqua e addirittura al ghiaccio. La sua temperatura t, la sua pressione p e la sua densità d sono collegati per ogni stato.

Si chiama vapore saturo quando coesiste con acqua liquida senza trasferimento dall'uno all'altra e viceversa.

 
 
 
 
  6. Costanti Fisiche del vapore riscaldato
 
 
 
È quello che si trova al di sopra della temperatura di saturazione e, quindi, non coesiste con l'acqua. Si comporta come un gas perfetto e gli si possono applicare le leggi degli stessi. La sua equazione di stato è:
  • Peso X = 0,2891 VP/T kg
  • Volume V = 3,4614 XT/P m³
  • Presione P = 3,4614 XT/V mm cdm
  • Temperatura t = 0,2891 PV7X-273°C

Il calore latente di vaporizzazione è quello necessario per disfare le forze di coesione dell'acqua e lasciare le loro molecole sotto forma di gas.

L'entalpia o calore totale di una massa di vapore riscaldato a to è quella corrispondente a una massa d'acqua, a 100°C, più quella latente di vaporizzazione e l'aumento del vapore.

Questo calore si può calcolare con le seguenti formule approssimative, valide per i problemi di condizionamento.
  • Calore totale del vapore:
    s = 0,45t + 597,44 kcal/kg
  • Calore latente di vaporizzazione:
    sv = 597,44 ˆ 0,549 t kcal/kg
  • Calore di sublimazione del ghiaccio:
    sh = 677,08 ˆ 0,024 t kcal/kg
  • Entalpia di x kg di vapore a t°:
    S = 597,44 x + 0,451 x t kcal
 
 
 
 
  7. Costanti critiche
 
 
 

Nelle condizioni critiche scompaiono le differenze tra gli stati liquidi e gassoso, le densità sono uguali e il calore di vaporizzazione è nullo. Scompare la superficie di separazione. La temperatura tc al di sopra della quale non esiste liquefazione si chiama critica. La pressione Pc corrispondente alla temperatura critica viene definita pressione critica. Questa pressione è quella di saturazione.

 
7.1 Gas e vapore
 

Viene chiamato gas qualsiasi fluido che si può espandere la cui temperatura è superiore a quella critica. Non si può liquefare per compressione. Viene definito vapore qualsiasi fluido che si può espandere, la cui temperatura è inferiore a quella critica. Si liquefa per compressione.

 
7.2 Psicrometria
 

È un ramo della Fisica che studia le proprietà termiche dell'aria umida, la sua regolazione, misurazione e l'effetto dell'umidità sui materiali e sul comfort delle persone.

L'umidità presente nell'aria modifica notevolmente le proprietà fisiche della stessa e influisce enormemente sulle sensazioni fisiche dell'uomo.

 
 
 
 
  8. Umidità dell'aria
 
 
 
L'aria viene definita satura quando si mantiene in equilibrio in presenza di acqua liquida senza che vi sia trasferimento dall'una all'altra. La pressione parziale del vapore acqueo contenuta in quest'area viene definita pressione di saturazione ps e a ogni temperatura ne corrisponde una diversa.
 
8.1 Umidità assoluta
 

È il peso di vapore contenuto per unità di volume d'aria, kg/m³, o anche il peso di vapore per unità di peso di aria asciutta. Entrambe le grandezze sono di scarso interesse tecnico.

 
8.2 Umidità relativa
 

È il quoziente tra il peso del vapore acqueo contenuto in un volume d'aria e il peso del vapore saturo dello stesso volume.

Z (%) =
Peso del vapore
 
Peso vapore saturo
  × 100

Questa espressione è quella usata nella meteorologia e corrisponde al concetto di umidità nel condizionamento

 
8.3 Psicrometro
 

È un dispositivo che misura l'umidità relativa dell'aria. È costituito da due termometri uguali, uno con il deposito asciutto e l'altro avvolto in uno strato inzuppato d'acqua.

Il termometro asciutto indica la temperatura dell'aria e quello umido, raffreddato dall'evaporazione dell'acqua che lo circonda, indica una temperatura inferiore.

Tramite una tabella associata allo psicrometro, i cui valori sono stati calcolati attraverso un'equazione che mette in rapporto l'entalpia dell'aria e quella di un punto umido, si può sapere qual è il grado di umidità relativa dell'aria.

 
8.4 Densità dell'aria
 

Si può calcolare a 760 mm cdm, tramite la formula

d =
352,9454 - 0,1753 p
 
t + 273
 kg/m³

p = Pressione del vapore

ma per ottenere rapidamente il dato, anche se solo approssimativo, si può utilizzare il grafico della Fig. 2.


Fig. 2. Densità dell'Aria

 
8.5 Punto di rugiada
 

Viene così definita la temperatura in cui il vapore acqueo contenuto in una massa d'aria si trasforma in vapore saturo per la diminuzione della temperatura. Appaiono le prime gocce d'acqua condensata che, se si produce sulla terra si chiama rugiada e se per la saturazione è necessario scendere al di sotto dei 0°C, si produce la cosiddetta brina.

 
 
 
 
  9. Diagrammi psicrometrici
 
 
 
Lo studio dello stato di una massa d'aria si basa su funzioni matematiche, alcune di natura sperimentale, che non consentono calcoli semplici, ma che si possono effettuare comodamente con metodi grafici basati su quanto segue:
  • CALORE = CALORE SENSIBILE + CALORE LATENTE
  • Calore sensibile = 0,242 t + 0,451 tx
  • Calore latente = So x
  • x = kg di vapore
  • So = Calore totale vapore a 0°C
  • t = Temperatura

In questa formula due parametri il calore totale e il vapore x sono funzione della temperatura umida e della rugiada. Pertanto, con la temperatura asciutta t abbiamo messo in relazione le tre e una volta fissate due, si può stabilire la terza. Sulla base di questa formula è stato costruito il diagramma psicometrico della Fig. 5 la cui struttura viene rappresentata e spiegata nella fig. 3. Così:

  1. 1º Una serie di curve indicano la percentuale di umidità Z%.
  2. 2º Una serie di linee rette orizzontali che corrispondono alle temperature di rugiada tI.
  3. 3° Una serie di rette quasi verticali rappresentano temp. asciutte t.
  4. 4° Una serie di rette inclinate che indicano le temp. umide tII.
  5. Fig. 3. Struttura del diagramma psicometrico


    Ogni punto del diagramma definirà uno stato d'aria in base alle rette e curve che passano attraverso lo stesso, e godrà delle proprietà che vengono indicate nello schema.

    Un'alternativa al diagramma psicometrico è quella indicata nella Fig. 4 che con una serie di rette forniscono il volume dell'unità d'aria, vale a dire per chilogrammo di aria asciutta.

    Fig. 4. Volume di una massa d'aria umida che contiene un chilogrammo di aria asciutta

    Ciò è importante dal momento che i ventilatori sono dispositivi che gestiscono volumi d'aria che variano con la densità in base alla temperatura e umidità, e hanno bisogno di più o meno potenza a seconda di questa variazione.

    Fig. 5. Diagramma psicometrico
 
 
 
 
 
 
 
 
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