FISICA TECNICA A - L

Il corso ha la finalità di fornire conoscenze:

• di termodinamica, negli aspetti teorici fondamentali e nelle applicazioni ai principali componenti impiantistici, ai cicli termodinamici diretti ed inversi e agli impianti di climatizzazione dell’aria;

• dei tre meccanismi fondamentali di scambio termico (conduzione, convezione, irraggiamento), delle loro interazioni e dei modelli di caratterizzazione dello scambio termico in geometrie semplici e in scambiatori di calore.

Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

• applicare i bilanci di massa, energia ed entropia a sistemi chiusi e aperti;

• analizzare e valutare l’efficienza dei cicli termodinamici diretti ed inversi;

• dimensionare impianti e componenti termotecnici di base (scambiatori, trattamenti aria, cicli frigoriferi);

• risolvere problemi di conduzione, convezione e irraggiamento in configurazioni standard.

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.

Propedeuticità: Fisica I

Obbligatoria per almeno il 70% delle ore di lezione.

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 0)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 1)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 2)

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.

(Ore lezione: 4, Ore esercitazione: 4)

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.

(Ore lezione: 4, Ore esercitazione: 4)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 3)

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.

(Ore lezione: 3, Ore esercitazione: 4)

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.

(Ore lezione: 4, Ore esercitazione: 6) 

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.

(Ore lezione: 3, Ore esercitazione: 4)

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.

 (Ore lezione: 3, Ore esercitazione: 2)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 0)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 4)

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.

(Ore lezione: 3, Ore esercitazione: 4)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 3)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 3)

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.

(Ore lezione: 2, Ore esercitazione: 1)

Contributo dell'insegnamento agli obiettivi dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile. 

SDG 4: Istruzione di qualità, Targets 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, lezione frontale, approfondimenti tematici durante le lezioni

SDG 7: Energia pulita e accessibile, Targets 7.1, 7.2, 7.3, lezione frontale, approfondimenti tematici durante le lezioni

SDG 9: Imprese, innovazione e infrastrutture, Target 9.5, lezione frontale, approfondimenti tematici durante le lezioni

SDG 11: Città e comunità sostenibili, Targets 11.2, 11.6. lezione frontale, approfondimenti tematici durante le lezioni

SDG 12: Consumo e produzione responsabile, Targets 12.1, 12.2, 12.6, lezione frontale, approfondimenti tematici durante le lezioni

SDG 13: Lotta contro il cambiamento climatico, Target 13.2, lezione frontale, approfondimenti tematici durante le lezioni

G. CESINI, G. LATINI, F. POLONARA, FISICA TECNICA, CITTÀ STUDI EDIZIONI

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

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,  saranno proposte due prove in itinere agli studenti che abbiano raggiunto per l'anno accademico corrente almeno il 70% delle presenze. 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.

Si adotteranno i seguenti criteri di valutazione: correttezza e completezza dei contenuti (elencati nella sezione "programma del corso"), chiarezza e rigore logico nell'esposizione, capacità di applicare i principi a casi pratici, padronanza dei teoremi e dimostrazioni richieste (queste ultime elencate nella sezione "esempi di domande frequenti"). 

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti iscritti al CInAP possono concordare con il docente eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del DIEEI (proff. Antonella Di Stefano e Arturo Pagano).

ALCUNI ESEMPI di domande ed esercizi frequenti sono riportati di seguito:

- Analisi termodinamica di sistemi chiusi e dei principali dispositivi a flusso stazionario con bilanci di primo e secondo principio (domanda/esercizio)

- Analisi termodinamica delle trasformazioni del ciclo Hirn con bilanci di primo e secondo principio e rendimento. Stessa valutazione per ipotesi di risurriscaldamento e rigenerazione (domanda/esercizio)

- Analisi termodinamica delle trasformazioni dei cicli a gas con bilanci di primo e secondo principio e rendimento (domanda/esercizio)

- Analisi termodinamica delle trasformazioni dei cicli inversi delle macchine frigorifere e pompe di calore, con bilanci di primo e secondo principio e rendimento (domanda/esercizio)

- Analisi delle trasformazioni psicrometriche per impianti di riscaldamento o raffreddamento, umidificazione e deumidificazione (domanda/esercizio)

- Analisi dello scambio termico conduttivo e convettivo in pareti multistrato, superfici cilindriche o sferiche (domanda/esercizio)

- Analisi dello scambio termico per irraggiamento (domanda/esercizio)

- Dimensionamento degli scambiatori di calore secondo i metodi della differenza media logaritmica ed eps-NTU (domanda/esercizio)

Gli esempi qui elencati rappresentano domande frequenti sia per lo svolgimento dello scritto e dell'orale. Si precisa, altresì, che altre eventuali domande e/o esercizi saranno comunque strettamente inerenti agli argomenti affrontati in aula e presenti in questo Syllabus. 

Teoremi di cui è richiesta la dimostrazione in sede di esame orale: 

- Espressione dei calori specifici in funzione di proprietà termodinamiche

- Equivalenza degli enunciati di Clausius e di Kelvin-Planck

- Teoremi di Carnot

- La scala termodinamica di temperatura

- Diseguaglianza di Clausius

- Dimostrazione del metodo eps-NTU per il dimensionamento degli scambiatori di calore

- Soluzione generale dell'equazione differenziale nel caso di alette a sezione traversale costante e con conducibilità termica costante