FISICA TECNICA M - Z

Il corso ha la finalità di fornire conoscenze:

- di termodinamica, negli aspetti teorici fondamentali e, soprattutto, nelle sue applicazioni ai principali componenti impiantistici,

- ai cicli termodinamici diretti ed inversi ed agli impianti di climatizzazione dell’aria;

- dei tre meccanismi fondamentali di scambio termico, delle loro possibili interazioni, nonché dei principi per la descrizione e caratterizzazione dello scambio termico in geometrie semplici e in scambiatori di calore.

In quanto queste competenze risultano propedeutiche all'apprendimento di discipline come : Macchine a Fluido, Energetica e Sistemi Energetici ed Impianti Termotecnici.

Il corso viene espletato mediante le lezioni condotte dal docente sugli argomenti specificati nel programma con le rispettive esercitazioni.

Analisi I e Fisica I

Nell'interesse degli allievi il Docente consiglia una frequenza di almeno il 60 - 70% delle ore di lezione.

Programma del Corso di

FISICA TECNICA

Corso di laurea in Ingegneria Industriale

Docente (corso M-Z):

Prof. Ing. Luigi Cammarata

Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e Informatica

Anno Accademico 2018-2019

Termodinamica generale

Sistema termodinamico: sistemi chiusi, aperti ed isolati, stato di equilibrio di un sistema, grandezze caratteristiche di un sistema; grandezze di scambio: calore e lavoro, grandezze di stato: energia interna, entalpia, entropia, exergia: bilanci di exergia, rendimenti exergetici di compressori e turbine, rendimento exergetico per scambi termici.

Processo termodinamico: definizione di processo: processo isobaro, isovolumico, isotermo, adiabatico, politropico; equazione di stato ed equazione di trasformazione, gas perfetti: equazione di stato ed equazioni di trasformazione relative; gas reali secondo il modello di Van der Walls: fattore di comprimibilità e legge degli stati corrispondenti; processo di laminazione, espansione di Joule-Thompson.

Primo principio della termodinamica: equazione di bilancio di energia per i sistemi aperti nella prima e nella seconda forma per regime transitorio e regime stazionario, equazione di bilancio di energia per i sistemi chiusi.

Secondo principio della termodinamica: Enunciato di Clausius, di Kelvin-Plank ed enunciato di Carnot; macchina termica a ciclo diretto ed a ciclo inverso, macchina di Carnot; entropia: eguaglianza e diseguaglianza di Clausius, entropia dei gas perfetti, rendimenti isoentropici di espansione e di compressione, compressioni multistadio; calcolo delle proprietà termostatiche per una sostanza qualsiasi.

Vapori: vapori saturi e surriscaldati, titolo di un vapore, equazione di Clausius-Clapeyron; calcolo delle proprietà termostatiche di un vapore saturo.

Termodinamica applicata

Cicli diretti a gas: Cicli nei motori a combustione interna: ciclo Otto, ciclo Diesel, ciclo Sabathè, cicli nei turbomotori a gas: ciclo Brayton-Joule ideale e reale con e senza rigenerazione; cicli bitermici reversibili (ciclo Stirling e ciclo Ericson), ciclo in un propulsore turbogetto, cenno alla cogenerazione ed impianti combinati.

Cicli diretti a vapore: ciclo Rankine a vapore saturo secco, ciclo Hirn, cicli con doppio surriscaldamento, cicli a spillamento.

Cicli inversi a vapore e a gas: macchine frigorifere a compressione meccanica di vapore: frigorifero a semplice compressione di vapore e semplice laminazione, frigorifero a doppia compressione e doppia laminazione; macchina frigorifera ad assorbimento, macchina frigorifera a gas, pompa di calore.

Aria umida: grandezze caratteristiche dell’aria umida, diagramma psicrometrico di Mollier, principali trasformazioni dell’aria umida, torre evaporativa, condizionamento estivo ed invernale.

Fluidodinamica

Fluidi newtoniani: proprietà fisiche, viscosità cinematica e dinamica, forze di massa e di superficie, stato tensionale ed equazioni costitutive di Newton.

Cinematica: regimi di moto, portata e velocità media, equazioni differenziali ed integrali di bilancio di massa, moto vorticoso e moto a potenziale cinetico, linee di corrente e traiettorie, funzione di corrente.

Dinamica: bilancio differenziale di quantità di moto (equazione di Navier-Stokes, equazione di Eulero), bilancio integrale di quantità di moto (equazione degli impulsi), fluidi barotropici: equazione di Helmholtz.

Moto in condotti: regimi laminare e turbolento, principio di similitudine di Reynolds, fattore di attrito di Fanning e fattore di Weisbach, analisi dimensionale per la determinazione del fattore di attrito in regime turbolento, profilo di velocità e di sforzo tangenziale nei condotti cilindrici; perdite di pressione distribuite in regime laminare e turbolento, perdite per resistenze localizzate, condotti in serie ed in parallelo, circuiti chiusi ed aperti.

Deflussi aperti: strato limite dinamico, equazioni di strato limite di Prandtl per fluidi a proprietà costanti in regime laminare e turbolento, similitudine dei profili di velocità all’interno dello strato limite dinamico, ampiezza dello spessore di strato limite in regime laminare e turbolento, fattore locale di attrito di Fanning, calcolo delle caratteristiche dello strato limite.

Fluidi comprimibili: comprimibilità, espansione, velocità del suono e numero di Mach; stato di ristagno e stato critico isoentropico; moto isoentropico negli ugelli e diffusori: teorema di Hugoniot; moto adiabatico nei condotti a sezione costante: teorema di Fanno, stato critico adiabatico. Moto isotermo.

Trasmissione del calore

Conduzione: equazione generale della conduzione: equazione differenziale di Laplace, Poisson e Fourier, gradiente di temperatura in superfici piane, cilindriche e sferiche con e senza generazione interna di calore, calcolo del flusso termico: postulato di Fourier; superfici alettate: gradiente termico ed efficienza di un’aletta.

Convezione: scambio termico convettivo, postulato di Newton, convezione forzata e naturale nei condotti e nei deflussi esterni, gruppi adimensionali caratteristici della convenzione forzata e naturale, analisi dimensionale per la determinazione del coefficiente di scambio termico convettivo, scambio termico misto conduttivo-convettivo: resistenza e trasmittanza termica.

Scambiatori di calore: forme e tipologia: scambiatori di calore a tubi concentrici, a fascio tubero, a tubi e mantello, scambiatori a flusso incrociato; scambio termico in equicorrente e controcorrente; calcolo della trasmittanza termica per uno scambiatore, progetto e verifica di uno scambiatore: metodo della differenza media logaritmica e metodo delle , calcolo dell’efficienza di uno scambiatore.

Irraggiamento: grandezze caratteristiche della radiazione termica, coefficienti di assorbimento, riflessione e trasparenza, corpi neri e corpi grigi, emissione radiativa dei corpi neri: legge di Lambert, legge di Stefan-Boltzmann, legge di Plank, legge di Wien; emissione radiativa dei corpi grigi, proprietà radiative dei corpi materiali, scambi termici per radiazione per i corpi neri e grigi: emissività e fattori di forma, legge di reciprocità tra fattori di forma.

Testi consigliati

Luigi Cammarata : Termodinamica Generale

Luigi Cammarata : Termodinamica Applicata

Luigi Cammarata : Termocinetica (Fluidodinamica)

Luigi Cammarata : Termocinetica (Trasmissione del calore)

Testi di consultazione

Cavallini- Mattarolo : Termodinamica applicata (Cleup editore)

Guglielmini-Pisoni : Elementi di trasmissione del calore (editoriale Vaschi)

Alessandro Cocchi : Termofisica generale ed applicata (Progetto Leonardo)

Il conseguimento della materia è subordinato al superamento di un esame che si terrà alla chiusura del corso.

L'esame consta di due parti: uno scritto ed un orale. All'orale si è ammessi previo superamento della prova scritta. Sia lo scritto sia l'orale mirano a verificare la capacità dell'allievo di discutere ed argomentare gli aspetti teorici della materia e di risolvere i problemi pratici e/o progettuali.

La prova scritta, della durata di tre ore, è strutturata in problemi pratici di calcolo e/o progettuali sugli argomenti trattati a lezione e sviluppati nelle esercitazioni.