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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 083795 - FISICA TECNICA
Docente Niro Alfonso
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) - BV (352) INGEGNERIA ENERGETICAENNAM083795 - FISICA TECNICA

Obiettivi dell'insegnamento

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.


Risultati di apprendimento attesi
  • 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.

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 dimensionaleCondu­zione: 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.


Prerequisiti

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).


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.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.

 


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaMoran, M.J., Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Editore: Wiley
Risorsa bibliografica facoltativaGyftopoulos, E.P., Beretta, G.P., Thermodynamics: Foundations and Applications, Editore: Dover
Note:

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

Risorsa bibliografica facoltativaLienhard, A Heat Transfer Textbook
Note:

liberamente scaricabile dal web


Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
64:00
96:00
Esercitazione
36:00
54:00
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
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
26/01/2020