1003175 - FISICA TECNICA A - L

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.

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.

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.

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

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,  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.

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.