Fisica tecnica - Anagrafica della Ricerca, Prodotti della Ricerca e

Insegnamento
Fisica Tecnica
Livello e corso di studio
Laurea Triennale in Ingegneria Civile L-7
Settore scientifico
disciplinare (SSD)
ING-IND/08
Anno di corso
1
Numero totale di
crediti
9
Propedeuticità
Analisi 1, Analisi 2, Fisica
Docente
Obiettivi formativi
Laura Tribioli
Facoltà: Ingegneria
Nickname: laura.tribioli
Email: [email protected]
Orario di ricevimento: consultare calendario videoconferenze
Il corso ha lo scopo di introdurre lo studente ai principi della termodinamica, all’analisi del comportamento dei
fluidi di lavoro comunemente utilizzati nella pratica ingegneristica, ai principali processi e cicli termodinamici
che utilizzano tali fluidi e ai fondamenti della trasmissione del calore. Inoltre, questo corso prevede l’applicazione
nella pratica dei concetti teorici, proponendosi di porre le basi della forma mentis tipica dell’ingegnere.
Con riferimento specifico ai descrittori di Dublino, è possibile quindi identificare i seguenti obiettivi formativi:
Conoscenza e capacità di comprensione:
1. Conoscenza e comprensione dei principi fondamentali della termodinamica
2. Conoscenza e comprensione del comportamento termodinamico di sostanze pure e miscele di aria e vapore
d'acqua
3. Conoscenza e comprensione della rappresentazione termodinamica di processi reali di conversione dell'energia
4. Conoscenza e comprensione della rappresentazione termodinamica di processi di condizionamento dell'aria
5. Conoscenza e comprensione dei meccanismi di trasmissione del calore e delle relative leggi fondamentali
6. Conoscenza e comprensione della rappresentazione semplificata di processi reali di scambio termico
Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
7. Capacità di modellare il comportamento delle proprietà delle sostanze pure utilizzando modelli analitici
8. Capacità di modellare sistemi reali attraverso trasformazioni e cicli termodinamici sia di sostanze pure che di
miscele di aria e vapor d’acqua, applicando relazioni analitiche
9. Capacità di modellare e analizzare processi di scambio termico in sistemi reali, utilizzando relazioni analitiche
Prerequisiti
Ottima conoscenza delle materie scientifiche di base, quali analisi e fisica. Ottima conoscenza anche del sistema
internazionale di unità di misura, delle conversioni tra diverse unità di misura e delle equivalenze tra multipli e
sottomultipli. Al riguardo, si consiglia di rivedere tali nozioni, propedeutiche ai fini della comprensione della
materia e dell’apprendimento della stessa.
Contenuti del corso
Modulo 1 – Introduzione. Unità di misura. Definizioni fondamentali. Grandezze termodinamiche. Scale di
temperatura.
Modulo 2 – Introduzione ai concetti di lavoro e calore. Il principio di conservazione dell’energia e della massa.
Derivazione del Primo Principio della Termodinamica e sua caratterizzazione per sistemi chiusi e aperti.
Modulo 3 – Proprietà delle sostanze: capacità termica e calori specifici. Comportamento dei gas perfetti e
differenze con i gas reali. Derivazione della legge di stato dei gas perfetti. Vapore umido, passaggi di stato e
diagrammi di stato. Comprensione e utilizzo delle tabelle delle proprietà del vapore umido nei suoi stati
1
termodinamici.
Modulo 4 – Il Secondo Principio della Termodinamica. I concetti di reversibilità e irreversibilità e la funzione
Entropia. Ciclo di Carnot e temperatura termodinamica.
Modulo 5 – Cicli termodinamici per la produzione di lavoro con gas ideali. Cicli Otto, Diesel, Sabathé e JouleBrayton e loro modifiche. Cicli termodinamici per la produzione di lavoro con vapore. Cicli Rankine, Hirn e loro
modifiche.
Modulo 6 – Cicli inversi per generazione di freddo e/o calore: macchine frigorifere e pompe di calore. Principali
proprietà dei fluidi frigorigeni.
Modulo 7 – Caratterizzazione delle miscele di aria umida. Principali trasformazioni di queste miscele e utilizzo
dei diagrammi psicrometrici. Applicazione per il dimensionamento degli impianti di condizionamento dell'aria.
Modulo 8 – Principi di trasmissione del calore. Meccanismo di trasmissione del calore per conduzione.
Meccanismo di trasmissione del calore per convezione. Meccanismo di trasmissione del calore per irraggiamento.
Meccanismi combinati di trasmissione del calore.
Modulo 9 – Applicazione dei principi di trasmissione del calore e dei principi della termodinamica al caso degli
scambiatori di calore.
Materiali di studio
⋅
MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE
Testi consigliati:
⋅ Y. Çengel, Termodinamica e Trasmissione del Calore, McGraw-Hill
⋅ F. Kreith, Principi di trasmissione del calore, Liguori editore
⋅ M. J. Moran, H. N. Shapiro, B. R. Munson, D. P. Dewitt, Introduction to Thermal Systems Engineering:
Thermodynamics, Fluid Mechanics, and Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc. , ISBN: 978-0-471-20490-9
⋅ M. A. Cucumo, V. Marinelli, Termodinamica applicata, Pitagora editrice Bologna
⋅ A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica Applicata, CLEUP editore
⋅ C. Bonacina, A. Cavallini, L. Mattarolo, Trasmissione del Calore, CLEUP editore
Metodi didattici
Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense,
i materiali di studio disponibili in piattaforma.
Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e
consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di
ogni modulo.
Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi
didattici.
La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno
spazio di discussione asincrono, dove i docenti e/o i tutor individuano i temi e gli argomenti più significativi
dell’insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti.
Modalità di verifica
dell’apprendimento
L’esame consiste di norma nello svolgimento di una prova scritta e/o orale tendente ad accertare le capacità di
analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti.
Il compito di esame è composto da tre esercizi. I tre argomenti che saranno sempre presenti sono: primo e
secondo principio della termodinamica e/o trasformazioni termodinamiche (Moduli 1-6); psicrometria (Modulo
7); trasmissione del calore e sue applicazioni (Moduli 8-9). Ogni esercizio vale 10 punti su 30. Ci sono delle
domandine di teoria una per ciascun esercizio. Le domande di teoria vengono valutate se e solo se vengono svolti,
almeno parzialmente, gli esercizi e possono contribuire al conseguimento della lode.
Criteri per
l’assegnazione
dell’elaborato finale
L’assegnazione dell’elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente
manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono
preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere.
Programma esteso e materiale didattico di riferimento
Modulo 1 - Lezione 1
Grandezze fisiche/Unità di misura. Primi concetti generali: grandezze fisiche; sistemi chiusi e aperte; proprietà
termodinamiche.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 1 - Lezione 2
Ancora concetti generali: equilibrio termodinamico; sistema aperto in regime stazionario; cicli termodinamici e
irreversibilità.
· Materiali didattici a cura del docente
2
Modulo 1 - Lezione 3
Le grandezze di stato e le scale di temperatura.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 2 - Lezione 1
Concetto di Energia. Lavoro e Calore
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 2 – Lezione 2
Principio di conservazione dell’energia e derivazione del primo principio della termodinamica
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 2 – Lezione 3
Applicazione del primo principio della termodinamica ai sistemi chiusi
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 2 – Lezione 4
Applicazione del primo principio della termodinamica ai sistemi aperti. Analisi dei volumi di controllo in base
alla conservazione della massa e alla conservazione dell’energia.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 2 – Lezione 5
I più comuni dispositivi a flusso stazionario. Espansore e compressore, valvola di laminazione, ugelli e diffusori,
scambiatori di calore.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 1
Capacità termica e calori specifici
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 2
Introduzione all’ipotesi di gas perfetto e differenze con i gas reali
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 3
Calori specifici per i gas perfetti
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 4
Le trasformazioni dei gas ideali
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 5
Vapore umido. Cambiamento di stato e diagrammi termodinamici
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 6
Le tabelle delle proprietà per il vapore umido.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 3 – Lezione 7
Le tabelle delle proprietà per il vapore umido. Esempi applicativi.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 4 – Lezione 1
Il secondo principio della termodinamica e i suoi enunciati.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 4 – Lezione 2
Principali differenze tra trasformazioni reversibili e irreversibili e analisi dei principali tipi di irreversibilità.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 4 – Lezione 3
Introduzione al ciclo di Carnot e comprensione del concetto di temperatura termodinamica.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 4 – Lezione 4
Concetto di entropia.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 4 – Lezione 5
Utilizzo del diagramma entropico (o di Gibbs) e del diagramma entalpico (o di Mollier).
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 4 – Lezione 6
Applicazioni e Implicazioni del secondo principio della termodinamica nel caso di compressore e turbina
dinamici. Comprensione dei concetti di lavoro di recupero e controrecupero.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 5 – Lezione 1
Cicli termodinamici diretti con gas ideali e brevi cenni sui motori a combustione interna e sui cicli ideali di
riferimento (ciclo Otto, Diesel e Sabathé) utilizzati per la valutazione delle performance dei motori.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 5 – Lezione 2
Cicli termodinamici diretti con gas ideali e brevi cenni sugli impianti turbogas. Analisi del ciclo semplice ideale
di riferimento (ciclo Joule-Brayton) utilizzati per la valutazione delle performance.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 5 – Lezione 3
Confronto del ciclo ideale e del ciclo reale. Analisi dei cicli ideali di riferimento degli impianti turbogas
modificati.
3
·
Materiali didattici a cura del docente
Modulo 5 – Lezione 4
Cicli termodinamici diretti a vapore d’acqua e brevi cenni sugli impianti a vapore con ciclo semplice (ciclo
Rankine) e sue modifiche. (ciclo Hirn) utilizzati per la valutazione delle performance.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 6 – Lezione 1
Cicli inversi per generazione di freddo e/o calore: macchine frigorifere, pompe di calore e fluidi frigorigeni. Ciclo
frigorifero ad assorbimento.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 7 – Lezione 1
Introduzione alla psicrometria per lo studio dell’aria atmosferica come miscela di gas e vapore.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 7 – Lezione 2
Utilizzo dei diagrammi psicrometrici. Diagrammi di Mollier, ASHRAE e Carrier.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 7 – Lezione 3
Principali trasformazioni dell’aria umida.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 7 – Lezione 4
Principali trasformazioni dell’aria umida con applicazione ai casi di condizionamento estivo ed invernale
dell’aria.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 1
Introduzione ai principali meccanismi di trasmissione del calore. La trasmissione del calore per conduzione in
regime stazionario. Concetto di conducibilità termica e spiegazione dell’analogia elettrica per l’analisi del
fenomeno di trasmissione di calore.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 2
Conduzione monodimensionale stazionaria in geometrie semplici: pareti piane, cilindri cavi, sfere e gusci.
Conduzione in pareti composte e raggio critico dell’isolante.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 3
Conduzione monodimensionale stazionaria in sistemi con generazione uniforme di calore.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 4
Analisi della dispersione di calore in superfici alettate con diverse condizioni al contorno.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 5
La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario. Concetto di coefficiente di scambio termico
convettivo. Cenni di fluidodinamica: strato limite di velocità e strato limite termico. Introduzione dei primi
parametri adimensionali: numero di Reynolds, numero di Prandtl e numero di Nusselt.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 6
La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione forzata esterna (su pareti piane,
cilindri e sfere). Spiegazione dell’utilizzo delle formule empiriche per la determinazione del coefficiente di
scambio termico convettivo.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 7
La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione forzata interna (in condotti).
Analisi di flussi interni a tubi, perdite di pressione.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 8
La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione forzata interna (in condotti).
Spiegazione dell’utilizzo delle formule empiriche per la determinazione dei coefficienti di attrito e di scambio
termico convettivo.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 9
La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione libera o naturale. Introduzione dei
numeri adimensionali di Grashof e Rayleigh.
Spiegazione dell’utilizzo delle formule empiriche per la determinazione del coefficiente di scambio termico
convettivo. Convezione combinata naturale e forzata.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 10
Introduzione al meccanismo di scambio termico per irraggiamento in regime stazionario e sua connessione con la
radiazione termica. Concetto di potere emissivo e introduzione della legge di Stefan Boltzmann. Spiegazione dei
concetti di corpo nero e corpo grigio e delle proprietà radiative di questi corpi. Principali differenze tra questi
modelli e le proprietà radiative di un corpo reale. Legge di Kirchhoff.
· Materiali didattici a cura del docente
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Modulo 8 – Lezione 11
Fattori di vista e loro relazioni fondamentali. Irraggiamento tra superfici nere. Irraggiamento tra superfici grigie e
diffondenti. Concetto di radiosità. Valutazione della potenza termica netta trasmessa a (da) una superficie.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 8 – Lezione 12
Valutazione della potenza termica netta trasmessa a (da) una superficie verso un’altra. Potenza termica scambiata
tra due superfici e tra tre superfici. Concetto di schermo radiante.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 9 – Lezione 1
Introduzione delle diverse tipologie di scambiatori di calore comunemente utilizzati nella pratica ingegneristica.
· Materiali didattici a cura del docente
Modulo 9 – Lezione 2
Fondamenti della progettazione degli scambiatori di calore a superficie. Concetto di temperatura media
logaritmica. Metodo diretto della differenza media logaritmica e metodo inverso epsilon-NTU.
· Materiali didattici a cura del docente
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