Fornire un’approfondita comprensione dei fondamenti della trasmissione del calore e di massa unitamente a una metodologia sistematica per la risoluzione di problemi anche complessi.

Lo studente estende e approfondisce le conoscenze dei fenomeni di trasporto (massa, quantità di moto, energia) per diffusione, avvezione e radiazione le cui basi elementari sono state date nel primo ciclo. Impara a consultare la letteratura specifica per trarne le informazioni (dati, dettagli tecnici) richieste dall'analisi di processi le cui le caratteristiche sono solo parzialmente assegnate.

Lo studente sviluppa la capacità di individuare i fenomeni di trasporto rilevanti in specifici processi e sistemi reali complessi.

Lo studente impara a formulare le equazioni che descrivono su scala globale e locale i fenomeni di trasporto, a risolvere con metodi analitici e/o numerici tali equazioni, a dimensionare componenti e sistemi per lo scambio termico e di massa (dissipatori, radiatori, scambiatori di calore, camere di combustione, semplici reattori e apparecchiature per l'industria di processo).

L’insegnamento è organizzato in lezioni, esercitazioni e laboratori; la frequenza non è obbligatoria. Nelle esercitazioni vengono svolti esclusivamente problemi numerici in cui si modellizzano i fenomeni di trasporto rilevanti in specifici processi e sistemi reali. Sono svolti anche laboratori informatici facoltativi in cui si propone la risoluzione di problemi di scambio termico schematizzati in modo più realistico da affrontare numericamente con Matlab o con un codice di calcolo commerciale (Comsol).

1. Irraggiamento. Radiazione termica; intensità di radiazione e grandezze derivate monocromatiche e totali, direzionali ed emisferiche. Radiazione del corpo nero: caratteristiche e leggi; definizione delle proprietà delle superfici non nere: emissività; proprietà radianti delle superfici reali: assorbanza, riflettanza e trasmittanza; teorema di Kirchhoff. Superfici grigie e superfici selettive. Radiazione solare ed ambientale; radiatori; effetto serra. Scambio termico radiativo tra superfici opache, diffuse e grigie: fattore di vista e sue proprietà, scambio termico tra superfici grigie e diffuse formanti una cavità; schermi radianti. Cenni allo scambio termico radiativo tra superfici qualsiasi (opache, trasparenti, selettive) formanti una cavità. Assorbimento volumetrico; introduzione all’assorbimento ed emissione in gas.

2. Conduzione. Legge di Fourier; conduttività termica; equazione della diffusione; condizioni iniziali, al contorno, e all’interfaccia. Soluzioni per conduzione in regime stazionario e geometrie monodimensionali; resistenze termiche e circuiti equivalenti; il caso con generazione uniforme e non uniforme di potenza; il caso di conduttività termica o di generazione di potenza dipendente dalla temperatura. Conduzione in lastre sottili: dissipatori di calore, superfici in moto. Conduzione in geometrie multidimensionali: fattore di forma. Conduzione in regime variabile: schematizzazione zero-dimensionale a parametri concentrati; soluzioni analitiche per geometrie monodimensionali: mezzo semi infinito con temperatura imposta costante o periodica, lastra con scambi convettivi; teorema di Duhamel; cenni alle onde termiche.

3. Diffusione di massa. Equazione di conservazione delle specie, velocità di massa e velocità di specie, flussi di massa e flussi diffusivi; legge di Fick, diffusività di massa; condizioni al contorno, discontinuità di concentrazioni all’interfaccia, evaporazione e sublimazione, solubilità di gas in liquidi e solidi, reazioni su superfici catalitiche; diffusione con reazioni chimiche omogenee. Diffusione in regime variabile.

4. Convezione. Equazione dell’energia. Strato limite di velocità, temperatura e concentrazione; equazioni di strato limite per flussi laminari. Introduzione alla turbolenza: macroscale e micrsoscale, equazioni mediate di strato limite; legge di parete; viscosità turbolenta, lunghezza di miscelamento; diffusività termica, profilo universale di temperatura e correlazione di scambio termico in flussi di parete; numero di Stanton. Convezione forzata esterna: scambio termico su lastra piana, cilindri, sfere, banchi di tubi e corpi tozzi. Convezione forzata in condotti: temperatura di miscelamento adiabatico, la regione pienamente sviluppata e il problema di Graetz; scambio termico in flussi laminari e turbolenti in tubi e canali. Convezione naturale: equazioni di strato limite nelle ipotesi di Oberbeck-Boussinesq; convezione naturale laminare su lastra piana verticale; gli effetti della turbolenza; correlazioni empiriche per corpi di varia forma. Convezione naturale in canali ed entro cavità. Cenni alla convezione mista. Diffusione di massa convettiva, il coefficiente di scambio di massa, numeri adimensionali caratteristici (Schmidt, Lewis e Sherwood).

5. Ebollizione e condensazione. Introduzione alle fenomenologie dell’ebollizione e della condensazione sia statica che convettiva.

Nessun prerequisito.

La verifica della preparazione avviene esclusivamente mediante esame scritto da sostenere negli appelli disponibili. Non sono previste prove intermedie. La prova scritta richiede di risolvere due problemi numerici, e di rispondere a tre domande su aspetti fondamentali del corso.

I problemi numerici mirano a verificare le capacità di:

.  schematizzare i processi che avvengono nel caso di studio assegnato individuandone i fenomeni di trasporto rilevanti;

.  scrivere le equazioni di governo e risolverle con i metodi più adeguati;

.  dimensionare i componenti e sistemi assegnati eventualmente traendo le informazioni mancanti da apparati bilbiliografici allegati.

La valutazione dei problemi si basa in modo paritario sullo svolgimento formale e su quello numerico.

Le domande sono tese ad accertare il grado di comprensione e approfondimento dei fenomeni e dei meccanismi di trasporto.

Al termine della prova viene sempre distribuita la soluzione in modo che ciascuno possa valutare il proprio compito, e poi si procede per appello nominale ad una verifica di chi richiede la correzione (di default la prova non viene corretta). Non ci sono penalità per valutazione insufficiente purché maggiore o uguale a 10/30 (rimandato); con una votazione inferiore a 10/30 non è consentito sostenere altri appelli nella stessa sessione (riprovato).

freely downloadable at: http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html