Obiettivi e contenuti del corso

Obiettivo formativo principale

Fornire i fondamenti della ingegneria termodinamica e le conoscenze di base della trasmissione del calore per lo studio dei processi di conversione-trasferimento dell’energia e per la comprensione dei limiti fisici cui questi processi sono soggetti. In particolare, verrà sviluppata la comprensione del significato fisico di grandezze come energia, energia disponibile, entropia, temperatura, dei diversi tipi di processi e modalità di interazione fra sistemi, e dei meccanismi di scambio termico.

Obiettivi formativi metodologici

Verranno sviluppate le capacità di impostare ed eseguire bilanci di massa, energia ed entropia, di analizzare impianti e processi termodinamici di media complessità, e di risolvere semplici problemi applicativi connessi al raffreddamento di componenti e sistemi di interesse nel campo aeronautico e spaziale.

Obiettivi formativi secondari

Introduzione al calcolo termodinamico e alla derivazione di relazioni notevoli tra grandezze notevoli; capacità di calcolare le proprietà delle sostanze semplici mediante modelli di diversa complessità e di miscele.

Descrizione degli argomenti trattati

1. Principi della termodinamica. Sistemi, stati e proprietà. Interazioni, pareti e processi; processi meccanici, spontanei, reversibili. Primo principio della termodinamica: energia interna. Tipi di stato. Secondo principio della termodina­mica: disponibilità adiabatica, energia disponibile ed entropia. Non decrescita dell’entropia; bilancio di entropia. Condizioni per l’equilibrio: temperatura, pressione, potenziale di massa. Diagramma Energia-Entropia. Processi quasi statici. Lavoro e calore nei processi quasi statici.

2. Introduzione al calcolo delle proprietà delle sostanze. Gradi termodinamici di libertà; potenziali termodinamici; relazioni di Maxwell; calori specifici e coefficienti volumetrici; derivazione delle equa­zioni di stato e di rela­zioni notevoli; stabilità intrinseca. Sistemi omogenei: gas ideali, calori specifici e struttura microscopica; liquidi e solidi incomprimibili; introduzione ai gas reali; miscele di gas, pressione parziale, miscele ideali. Sistemi eterogenei: fasi, regola delle fasi, transizioni di fase; equazione di Clapeyron-Clausius; punti triplo e critico; diagrammi di stato.

3. Termodinamica dei processi. Volume di controllo; equazioni globali di bilancio di massa, energia ed entropia; lavoro tecnico. Analisi di componenti notevoli di impianto: turbine, compressori, pompe; miscelatori e scam­biatori di calore; valvole; ugelli e diffusori. Flusso di energia di­sponibile, analisi energetica di macchine motrici e operatrici. Cicli termodinamici: classificazione, caratteristiche generali, rendimento. Cicli stan­dard ad aria (diretti): Otto, Diesel; Joule-Brayton per impianti fissi e turbogetti, introdu­zione alla rigenerazione e alla post-combustione. Cicli a vapore: ciclo Rankine. Cicli inversi: efficienza, cicli a gas (Brayton, Stirling) e a compressione di vapore.

4. Introduzione alla trasmissione del calore e conduzione. Meccanismi di trasporto dell’energia. Similitudine e analisi dimensionale. Condu­zione: legge di Fourier e conduttività termica, equazione della diffu­sione termica. Conduzione in regime staziona­rio: geometria monodimensionale piana, cilindrica e sferica; resistenze termiche e reti elettriche equiva­lenti; alette: equazione della conduzione, efficienza ed efficacia. Conduzione in re­gime variabile: approssimazione a parametri concentrati, il numero di Biot; cenni al caso di mezzo semi infi­nito.

5. Convezione. Caratteristiche. Convezione forzata all’esterno di superfici e all’interno di condotti: fe­nomenologia, numeri adimensionali di Reynolds, Nusselt, Prandtl, e uso di correlazioni adimensionali. Temperatura di mi­scelamento adiabatico e suo andamento lungo un condotto; differenza media logaritmica di temperatura. Introdu­zione alla con­vezione naturale, numeri adimensionali di Grashof e Rayleigh. Scambiatori di calore: classificazione, andamento delle temperature negli scambiatori equicorrente e controcorrente; potenza massima ed efficienza.

6. Irraggiamento. Radiazione termica: natura, intensità di radiazione e grandezze caratteristiche monocromatiche e totali. Corpo nero: proprietà e leggi caratteristiche, emissione di banda. Superfici reali: emissività, superfici diffuse, grigie e selettive; coefficienti di riflessione, assorbimento e trasmissione, superfici semitrasparenti (cenni all’effetto serra); relazione fra emissione e assorbimento (teorema di Kirchhoff), radiatori. Scambio termico radiativo tra superfici grigie e diffuse: fattore di vista e sue proprietà, calcolo della potenza termica netta irraggiata tra due superfici grigie.

Organizzazione del corso e modalità di verifica

Modalità didattiche

L’insegnamento è organizzato in lezioni, esercitazioni e laboratori la cui frequenza non è obbligatoria. Nelle esercitazioni vengono svolti esclusivamente problemi numerici in cui si analizzano processi termodinamici e sistemi  energetici mediante bilanci di energia ed entropia, si calcolano le proprietà termodinamiche mediante l’uso di modelli di varia complessità e di tabelle, si determinano gli scambi termici tramite la schematizzazione dei meccanismi di trasmissione del calore. Nei laboratori, in parte sperimentali e in parte informatici, verranno eseguite alcune esperienze notevoli.

Modalità di verifica

 La verifica della preparazione avviene mediante esame che potrà essere sostenuto nel periodo di valutazione finale al termine del semestre o in qualsiasi altro appello disponibile. L’esame consta di una prova scritta e di una orale; per essere ammessi all’orale è necessario riportare una votazione dello scritto di almeno 16/30. E’ prevista anche un preappello al termine del corso, in cui la prova orale è facoltativa se si riporta una votazione di almeno 24/30 nello scritto (un punteggio inferiore a 10/30 nello scritto del preappello non consente l’ammissione dello studente al primo appello). Nella prova scritta si richiede di risolvere problemi numerici, la cui valutazione si basa in modo paritario sullo svolgimento formale e su quello numerico. La prova orale inizia dalla discussione della prova scritta e verte sugli aspetti fondamentali del corso con particolare riguardo alla termodinamica tecnica.

Versione italiana ridotta: Beretta, G.P., Le nozioni di base della termodinamica, Cartolibreria Snoopy

liberamente scaricabile dal web