L’insegnamento mira a fornire le basi fisiche e ingegneristiche dei processi di trasformazione dell’energia, presupposto per la progettazione di macchine, sistemi e processi atti alla generazione/conversione, al trasporto e all’uso razionale dell’energia.

• Lo studente 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.
• Lo studente 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;
• Lo studente è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica il principio di funzionamento dei principali componenti delle macchine motrici e operatrici;
• Lo studente è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica gli aspetti di base della trasmissione del calore.

Lo studente 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 semplici 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.

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.

L’insegnamento fa uso del formalismo matematico sviluppato nell’insegnamento di Analisi e Geometria 1 (precedenza di verbalizzazione) e, in parte, di Analisi e Geometria 2 (precedenza di composizione). Inoltre si presuppone la conoscenza dei fondamenti di Fisica sperimentale e di Chimica (precedenze di composizione).

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 che devono essere sostenute nello stesso appello; per essere ammessi all’orale è necessario riportare una votazione dello scritto di almeno 16/30. Solo nel primo appello, per chi riporta una votazione di almeno 24/30 nello scritto, l’orale è facoltativo (ma il docente ha facoltà di richiederlo se lo ritiene necessario per la valutazione; questo può avvenire, in particolare, per votazioni superiori a 27/30). 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).

Nella prova scritta si richiede di risolvere quattro problemi, la cui valutazione si basa in modo paritario sullo svolgimento formale e su quello numerico, e volti ad accertare la capacità di:

• impostare ed eseguire bilanci di massa, energia ed entropia per sistemi chiusi e aperti;
• calcolare le proprietà di gas, di liquidi e solidi, 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 mira all’accertamento del grado di comprensione degli aspetti fondamentali dell’insegnamento come pure della consapevolezza dell’uso dei modelli di calcolo utilizzati.

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

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