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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 083400 - FISICA TECNICA (PER INGEGNERIA MECCANICA)
Docente Marocco Luca Davide
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - PC (354) INGEGNERIA MECCANICA*AZZZZ083400 - FISICA TECNICA (PER INGEGNERIA MECCANICA)

Obiettivi dell'insegnamento

Il corso ha una impostazione fondamentalmente formativa e intende fornire agli studenti una metodologia di indagine fisico matematica e infondere una capacità di analisi critica dei limiti dei modelli adottati e dei risultati ottenuti. Vengono impartite conoscenze di base, nell’ambito della termodinamica e della trasmissione del calore, con riferimento a problemi applicativi propedeutici ai corsi successivi tipicamente rivolti alle macchine e all’impiantistica.

 


Risultati di apprendimento attesi

Lo studente:

a) conosce i principi della Termodinamica nelle varie formulazioni e mostra di aver compreso a fondo i nessi logici e matematici tra le grandezze che vi compaiono.

b) è in grado di individuare con precisione le limitazioni cui sono soggetti tutti i processi reali e di comprendere le principali implicazioni ingegneristiche dei principi della Termodinamica.

c) è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica il principio di funzionamento dei principali componenti delle macchine motrici e operatrici.

d) è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica gli aspetti di base della Trasmissione del calore.

e) è capace di applicare le conoscenze di base sopra descritte per:

- impostare ed eseguire bilanci di massa, energia ed entropia;

- calcolare le proprietà delle sostanze pure e di miscele mediante modelli di diversa complessità;

- analizzare impianti e processi termodinamici di media complessità;

- risolvere semplici dimensionamenti di apparati per lo scambio termico;


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 interrelazioni 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. Analisi di componenti notevoli di impianto: turbine, compressori, pompe; miscelatori e scambiatori di calore; valvole; ugelli e diffusori. Flusso di energia disponibile/exergia, analisi energetica di macchine motrici e operatrici. Cicli termodinamici: classificazione, caratteristiche generali, rendimento. Cicli standard ad aria (diretti): 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) 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, Peclet 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.


Prerequisiti

Per seguire proficuamente il corso è necessario che lo studente abbia una solida conoscenza di Analisi matematica (inclusi differenziali, derivate parziali ed equazioni differenziali alle derivate parziali a variabili separabili, integrali – competenza sviluppate negli insegnamenti di Analisi e Geometria 1 e 2) e competenze almeno a livello base di Chimica (come sviluppato nell’insegnamento di Fondamenti di Chimica).


Modalità di valutazione

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 (non sono previste prove intermedie). 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 18/30.

La prova scritta è intesa a verificare la capacità di risoluzione di problemi numerici di Termodinamica e Trasmissione del Calore. Più specificamente viene accertata la capacità di:

- impostare ed eseguire bilanci di massa, energia ed entropia per sistemi chiusi e aperti;

- calcolare le proprietà di gas, liquidi e solidi nonché di sistemi liquido-vapore e gas-vapore lungo processi termodinamici;

- analizzare dal punto di vista termodinamico le configurazioni di base di macchine e impianti (caratterizzazione di stati e trasformazioni, calcolo degli indici di prestazione);

- valutare le caratteristiche di scambio termico, come potenze, temperature, tempi e dimensioni, adottando i modelli più adatti a descrivere le modalità di trasporto (conduzione, convezione e irraggiamento).

La prova orale inizia dalla discussione della prova scritta e verte sugli aspetti fondamentali del corso. È intesa a verificare l’apprendimento dei concetti teorici, definizioni, enunciati ed equazioni inerenti alla Termodinamica e Trasmissione del calore.

 


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaG.P. Beretta, Termodinamica, Editore: Catolibreria Snoopy, Anno edizione: 2002
Note:

Parti 1-3

Risorsa bibliografica facoltativaE.P. Gyftopoulos, G.P. Beretta, Thermodynamics: Foundations and Applications, Editore: Dover, Anno edizione: 2010, ISBN: 0-486-43932-1
Note:

Parti 1-3

Risorsa bibliografica facoltativaM. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, Elementi di Fisica Tecnica per l'Ingegneria, Editore: McGraw-Hill, Anno edizione: 2011, ISBN: 978-88386-65509
Note:

Parti 3-6

Risorsa bibliografica facoltativaM. Guilizzoni, La Fisica Tecnica e il rasoio di Ockham - Terza edizione, Editore: Maggioli, Anno edizione: 2017, ISBN: 9788891624130
Risorsa bibliografica facoltativaY. A. Cengel, Termodinamica e Trasmissione del Calore, Editore: The McGraw-Hill Companies, Anno edizione: 2013, ISBN: 978-88-386-6514-1
Risorsa bibliografica facoltativaJ.H. Lienhard IV, J.H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook, 4th edition http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html
Risorsa bibliografica facoltativaG. Casagrande, E. Lanzarone, L.D. Marocco, F. Miglietta, Esercizi di fisica tecnica, Editore: Pitagora, Anno edizione: 2013, ISBN: 88-371-1215-7

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
65:00
97:30
Esercitazione
35:00
52:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
16/06/2021