FISICA TECNICA A - L
Anno accademico 2020/2021 - 2° anno - Curriculum Ingegneria IndustrialeCrediti: 9
SSD: ING-IND/10 - Fisica tecnica industriale
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 138 di studio individuale, 42 di lezione frontale, 45 di esercitazione
Semestre: 2°
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Obiettivi formativi
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 modelli per la descrizione e caratterizzazione dello scambio termico in geometrie semplici e in scambiatori di calore.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Lezioni teoriche ed esercitazioni sono svolte in aula con l'ausilio di materiale didattico (slide, esercizi svolti, ecc.) messi a disposizione degli studenti su studium all'inizio e durante il corso. Qualora subentrasse la necessità di impartire l'insegnamento in modalità mista o a distanza, verranno attuate le azioni necessarie a garantire lo svolgimento del programma previsto e riportato nel syllabus.
Prerequisiti richiesti
Analisi I e Fisica I
Frequenza lezioni
Obbligatoria per almeno il 70% delle ore di lezione.
Contenuti del corso
TERMODINAMICA APPLICATA
1. NOZIONI FONDAMENTALI DI TERMODINAMICA
La termodinamica e l’energia; la trasmissione del calore; le unità di misura del S.I. Il sistema termodinamico; massa di controllo e volume di controllo; le variabili di stato; l’equilibrio termodinamico; il postulato di stato o regola di Gibbs; il principio zero della termodinamica; definizione di pressione, volume e temperatura; trasformazioni e cicli termodinamici.
2. GRANDEZZE DI STATO E GRANDEZZE DI SCAMBIO
L’energia: energia interna, cinetica e potenziale; lo scambio di energia al contorno del sistema: calore e lavoro.
3. COMPORTAMENTO TERMODINAMICO DELLE SOSTANZE PURE
I cambiamenti di stato; i vapori saturi ed i diagrammi di rappresentazione; le tabelle dei vapori saturi. Il modello del gas perfetto ed altre equazioni di stato. Il comportamento dei gas reali.
4. BILANCI DI MASSA ED ENERGIA E PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Bilancio energetico dei sistemi chiusi; il lavoro di variazione di volume; calori specifici a pressione costante e a volume costante. L’analisi termodinamica dei volumi di controllo ed i processi a flusso stazionario; definizione di entalpia; lavoro nei sistemi con deflusso.Il primo principio della termodinamica per i sistemi chiusi e per i sistemi aperti; i principali dispositivi a flusso stazionario.
5. SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA E DEFINIZIONE DI ENTROPIA
Definizione di motori termici e macchine frigorifere; enunciati del secondo principio della termodinamica. Il ciclo di Carnot diretto ed inverso; i teoremi di Carnot; la scala termodinamica di temperatura; irreversibilità; definizione di entropia. Diagrammi dell’entropia; equazioni dell’entropia per i gas ideali e per i liquidi ed i solidi; il bilancio di entropia per sistemi aperti e chiusi.
6. COMPONENTI TECNOLOGICI DEI SISTEMI TERMODINAMICI
I componenti tecnologici degli impianti; il rendimento isoentropico dei componenti termodinamici; analisi e caratterizzazione dei componenti mediante bilanci di energia ed entropia.
7. CICLI DIRETTI A GAS (AD ARIA STANDARD)
Il ciclo di Carnot a gas; i cicli diretti a gas: il ciclo Brayton-Joule endoreversibile, l’effetto delle irreversibilità, la rigenerazione nel ciclo Brayton-Joule; cenni su altre evoluzioni ed applicazioni aeronautiche; cenni sul Ciclo Otto, Diesel e Sabathé.
8. CICLI DIRETTI A VAPORE
Il ciclo di Carnot a vapore; il ciclo Rankine endoreversibile; il ciclo Rankine con surriscaldamento; limiti tecnologici degli impianti motori a vapore; l’effetto delle irreversibilità; la rigenerazione nel ciclo Rankine; la cogenerazione e gli impianti combinati.
9. CICLI INVERSI A COMPRESSIONE DI VAPORE
I cicli inversi; le macchine frigorifere e le pompe di calore; i cicli inversi a compressione di vapore; l’effetto delle irreversibilità.
10. PSICROMETRIA E TRATTAMENTI DELL’ARIA UMIDA
Le miscele di gas ideali e reali; l’aria umida; definizione delle variabili termodinamiche e dei diagrammi usati in psicrometria; principali trasformazioni ed impianti termotecnici per i trattamenti dell’aria umida.
TRASMISSIONE DEL CALORE
11. PRINCIPI FONDAMENTALI DI TRASMISSIONE DEL CALORE
Introduzione alla trasmissione del calore: le modalità di trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Il campo di temperatura ed il flusso termico.
12. CONDUZIONE STAZIONARIA IN GEOMETRIE MONODIMENSIONALI
La legge di Fourier e la conducibilità termica dei materiali; la conduzione in regime stazionario nei mezzi omogenei ed isotropi; l’analogia elettro-termica e le definizioni di resistenza conduttiva e convettiva; valutazione dello scambio termico stazionario per le geometrie monodimensionali: pareti piane, gusci cilindrici e gusci sferici; il raggio critico di isolamento.
13. CONVEZIONE FORZATA ESTERNA ED INTERNA E CONVEZIONE NATURALE
La trasmissione del calore per convezione forzata esterna; parametri adimensionali della convezione forzata; i regimi di moto; il flusso su piastra piana; cenni su altre geometrie. La trasmissione del calore per convezione forzata interna; il flusso all’interno di condotti e canali; le scambio termico, le perdite di carico e l’Abaco di Moody. La trasmissione del calore per convezione naturale.
14. SCAMBIO TERMICO RADIATIVO
Principi fondamentali dell’irraggiamento; il corpo nero e le sue leggi fondamentali; le proprietà radiative ed il modello del corpo grigio. La trasmissione del calore per irraggiamento; i fattori di vista; lo scambio termico tra superfici nere e grigie.
15. SCAMBIATORI DI CALORE
Tipi e classificazione degli scambiatori di calore; il coefficiente globale di scambio termico; criteri di dimensionamento; la differenza di temperatura media logaritmica; il metodo eps-NTU.
16. PROBLEMI MISTI DI CONDUZIONE E CONVEZIONE
I problemi misti di conduzione e convezione: le superfici alettate e le definizioni di efficacia ed efficienza delle alette e delle alettature; la conduzione termica in regime variabile; schematizzazione mediante modelli a parametri concentrati; i diagrammi di Heisler.
Testi di riferimento
1. Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL
2. M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL
3. G. CESINI, G. LATINI, F. POLONARA, FISICA TECNICA, CITTÀ STUDI EDIZIONI
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | Postulato di Stato (Legge di Gibbs) | Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
| 2 | Grandezze di Stato e Grandezze di Scambio | Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
| 3 | Comportamento termodinamico delle sostanze pure | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 4 | Bilanci di massa ed energia e primo principio della termodinamica | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 5 | Secondo principio della termodinamica ed entropia | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 6 | Comportamento termodinamico dei principali componenti tecnologici | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 7 | Cicli diretti a gas (ad aria standard) e a vapore | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 8 | Cicli inversi a compressione di vapore | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 9 | Psicrometria e trattamenti dell'aria umida | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
| 10 | Conduzione stazionaria in geometrie monodimensionali | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
| 11 | Convezione forzata esterna ed interna e convezione naturale | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL-M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA - MCGRAW-HILL |
| 12 | Scambio termico radiativo | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
| 13 | Scambiatori di calore | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
| 14 | Problemi misti di conduzione e convezione: la conduzione termica in regime variabile e le superfici alettate | Materiale didattico - Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
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. Lo scritto è strutturato in domande teoriche, formulate in maniera da consentire una risposta sintetica, ed in problemi pratici di calcolo e/o progettuali di componenti e sistemi termodinamici e di processi e sistemi di scambio termico.
Sussistendo le condizioni per lo svolgimento in presenza delle attività didattiche, si proporranno agli allievi frequentanti due prove in itinere con partecipazione facoltativa. La prima delle suddette prove si svolgerà al termine delle lezioni di termodinamica applicata; la seconda, si svolgerà a fine corso, al termine delle lezioni di trasmissione del calore. Il superamento delle due prove è equiparato al superamento della prova scritta dell’esame, purchè questo venga sostenuto entro il medesimo anno accademico.Le prove in itinere non si terranno nel caso di svolgimento a distanza delle attività didattiche del corso.