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Indice
Prefazione
XV
Prefazione all’edizione italiana
XIX
Autori
XXI
In questo volume...
XXIII
Sul sito www.ateneonline.it/moran
XXV
PARTE 1 TERMODINAMICA
Capitolo 1 Cos’è l’ingegneria dei sistemi termici?
1.1
1.2
Premessa
Casi di studio di sistemi termici
1.2.1
Impianto di produzione e distribuzione
di acqua calda sanitaria in un’abitazione
1.2.2
Veicolo ibrido elettrico
1.2.3
Fabbricazione di componenti elettronici: saldatura di schede
per circuiti stampati
Analisi dei sistemi termici
1.3.1
Le tre discipline delle Scienze termiche
1.3.2
Pratica dell’ingegneria dei sistemi termici
Come utilizzare il testo in modo efficace
1.4.1
Caratteristiche dei casi di studio
1.4.2
Tecniche avanzate di studio
1
1
3
3
4
Esercizi
6
7
8
9
10
10
10
11
Capitolo 2 Concetti introduttivi e definizioni
2.1
Sistema termodinamico
2.2
Sistemi e loro comportamento termodinamico
2.3
Unità di misura e dimensioni
2.3.1
Unità di misura del SI per massa, lunghezza, tempo e forza
2.3.2
Altre unità di misura di massa, lunghezza, tempo e forza
2.4
Due proprietà misurabili: volume specifico e pressione
2.4.1
Volume specifico
2.4.2
Pressione
2.5
Misura della temperatura
2.5.1
Equilibrio termico e temperatura
2.5.2
Termometria
2.5.3
Scala Kelvin
2.5.4
Scale Celsius, Rankine e Fahrenheit
2.6
Metodologia per la risoluzione dei problemi
Sommario e guida allo studio
Esercizi
15
15
16
20
21
22
23
24
25
25
26
26
27
27
28
31
31
1.3
1.4
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Indice
Capitolo 3 Energia e primo principio della termodinamica
3.1
Concetto di energia in meccanica
3.1.1
Energia cinetica e potenziale
3.1.2
Lavoro in meccanica
3.1.3
Conclusione
3.2
Estensione del concetto di lavoro
Convenzione di segno e notazione
3.2.1
3.2.2
Potenza
3.3
Lavoro di espansione o compressione
3.4
Energia interna
3.5
Energia scambiata sotto forma di calore
3.5.1
Convenzione sul segno e notazioni
3.5.2
Considerazioni conclusive
3.6
Bilancio energetico per sistemi chiusi
3.7
Analisi energetica dei cicli
3.7.1
Bilancio energetico per i cicli
3.7.2
Cicli motore
3.7.3
Cicli frigoriferi e a pompe di calore
Sommario e guida allo studio
Esercizi
Capitolo 4 Analisi delle proprietà termodinamiche
4.1
Identificare lo stato di un sistema chiuso
4.2
Relazioni p-y-T
4.2.1
Diagramma p-y-T
4.2.2
Proiezioni del diagramma p-y-T
4.2.3
Cambiamenti di fase
4.3
Come reperire i valori delle proprietà termodinamiche
4.3.1
Determinare pressione, volume specifico e temperatura
4.3.2
Determinare l’energia interna specifica e l’entalpia specifica
4.3.3
Determinare le proprietà utilizzando il software
4.3.4
Esempi
4.3.5
Proprietà dei liquidi e dei solidi
4.4
Relazioni p-y-T per i gas
4.5
Modello di gas ideale
4.6
Energia interna, entalpia e calore specifico dei gas ideali
4.7
Variazioni di energia interna specifica ed entalpia specifica
per i gas ideali
4.8
Trasformazioni politropiche di un gas ideale
Sommario e guida allo studio
Esercizi
Capitolo 5 Analisi energetica ai volumi di controllo
5.1
Conservazione della massa per un volume di controllo
5.1.1
Bilancio della portata massica
5.2
Conservazione dell’energia per un volume di controllo
5.2.1
Bilancio energetico per un volume di controllo
5.2.2
Forme del bilancio energetico per i volumi di controllo
5.3
Analisi dei volumi di controllo in regime stazionario
5.3.1
Formulazione dei bilanci di energia e massa in regime
stazionario
5.3.2
Modellizzazione dei volumi di controllo in regime stazionario
5.3.3
Casi tipici
Sommario e guida allo studio
Esercizi
35
35
35
37
37
37
38
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127
127
146
146
VII
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VIII
Indice
Capitolo 6 Secondo principio della termodinamica
6.1
Introduzione al secondo principio
6.1.1
Osservazioni all’origine del secondo principio
6.1.2
Enunciati del secondo principio
6.2
Identificazione delle irreversibilità
6.3
Applicazione del secondo principio ai cicli termodinamici
Cicli motore (o cicli diretti) che interagiscono con due
6.3.1
sorgenti
6.3.2
Cicli frigoriferi e a pompa di calore (o cicli inversi) che
interagiscono con due sorgenti
6.4
Misura delle massime prestazioni per i cicli operanti tra due sorgenti
6.4.1
Definizione della Scala Termodinamica (scala Kelvin) delle
temperature
6.4.2
Cicli motore
6.4.3
Cicli frigoriferi e pompe di calore
6.4.4
Applicazioni
6.5
Ciclo di Carnot
Sommario e guida allo studio
Esercizi
153
153
153
155
156
158
158
161
162
162
163
164
164
168
169
169
Capitolo 7 Entropia
7.1
Introduzione all’entropia
7.1.1
Disuguaglianza di Clausius
7.1.2
Variazione di entropia
7.2
Metodi per la valutazione dell’entropia
7.2.1
Considerazioni generali
7.2.2
Variazione di entropia per un gas perfetto
7.2.3
Variazione di entropia di una sostanza incomprimibile
7.3
Variazione di entropia nei processi internamente reversibili
7.4
Bilancio entropico per sistemi chiusi
7.4.1
Bilancio entropico
7.4.2
Altre forme di bilancio entropico
7.4.3
Valutazione della produzione e del trasferimento di entropia
7.4.4
Esemplificazioni
7.5
Bilancio di entropia per i volumi di controllo
7.5.1
Analisi ai volumi di controllo in regime stazionario
7.5.2
Esemplificazioni
7.6
Trasformazioni isoentropiche
7.6.1
Considerazioni generali
7.6.2
Uso del modello di gas perfetto
7.7
Rendimento isoentropico di turbine, ugelli, compressori e pompe
7.8
Scambi di calore e lavoro in una trasformazione
internamente reversibile in regime stazionario
7.9
Determinazione dell’energia meccanica
7.10
Determinazione dell’energia interna
Sommario e guida allo studio
Esercizi
217
221
223
224
225
Capitolo 8 Impianti di potenza e di refrigerazione a vapore
IMPIANTI DI POTENZA A VAPORE
8.1
Modellizzazione degli impianti di potenza
8.2
Analisi dei sistemi di potenza a vapore – Ciclo Rankine
8.2.1
Valutazione delle quantità di lavoro e di calore scambiate
8.2.2
Ciclo Rankine ideale
233
233
233
235
235
237
173
173
173
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187
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190
190
195
196
197
204
204
205
209
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Indice
8.2.3
8.3
8.4
Effetti della pressioni di caldaia e di condensatore sul ciclo
Rankine
8.2.4
Principali perdite e irreversibilità
Miglioramento delle prestazioni – Surriscaldamenti e
risurriscaldamenti
Miglioramento delle prestazioni – Ciclo a vapore con rigenerazione
Rigeneratori a miscela (o aperti)
8.4.1
Rigeneratori a superficie (o chiusi)
8.4.2
SISTEMI DI REFRIGERAZIONE E POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE DI VAPORE
8.5
Macchine frigorifere a compressione di vapore
8.6
Analisi dei sistemi frigoriferi a compressione di vapore
8.6.1
Stima dei principali termini di lavoro e calore
8.6.2
Prestazioni dei sistemi a compressione di vapore
8.7
Pompe di calore a compressione di vapore
8.8
Fluidi di lavoro per sistemi di potenza e di refrigerazione a vapore
Sommario e guida allo studio
Esercizi
242
243
247
253
253
258
259
260
262
262
264
270
271
272
273
Capitolo 9 Sistemi di potenza a gas
MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA
9.1
Terminologia dei motori
9.2
Ciclo Otto ad aria standard
9.3
Ciclo Diesel ad aria standard
IMPIANTI GENERATIVI CON TURBINE A GAS
9.4
Modellizzazione degli impianti generativi a turbina
9.5
Ciclo Brayton ad aria standard
9.5.1
Valutazione dei principali termini di scambio di calore
e lavoro
9.5.2
Ciclo Brayton ideale ad aria standard
9.5.3
Irreversibilità e perdite nelle turbine a gas
9.6
Turbine a gas con rigenerazione
9.7
Turbine a gas per propulsione aeronautica
Sommario e guida allo studio
Esercizi
277
277
277
280
285
289
289
290
Capitolo 10 Applicazioni di psicrometria
10.1
Introduzione ai principi della psicrometria
10.1.1 Aria umida
10.1.2 Umidità assoluta, umidità relativa ed entalpia della miscela
10.1.3 Modellizzazione dell’aria umida in equilibrio con acqua
liquida
10.2
Determinazione della temperatura al punto di rugiada
10.3
Psicrometria: misurazione della temperatura di bulbo umido e della
temperatura di bulbo secco
10.4
Diagramma psicrometrico
10.5
Analisi dei processi di condizionamento dell’aria
10.5.1 Applicazione dei bilanci di massa ed energia ai sistemi di
condizionamento dell’aria
10.5.2 Trattamento di aria umida a composizione costante
10.5.3 Deumidificazione
10.5.4 Umidificazione
10.5.5 Raffrescamento evaporativo
10.5.6 Miscelazione adiabatica di due correnti di aria umida
10.6
Torri di raffreddamento
311
311
311
313
291
292
295
299
303
308
308
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320
320
321
325
329
331
334
337
IX
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X
Indice
Sommario e guida allo studio
Esercizi
339
340
PARTE 2 FLUIDODINAMICA
Capitolo 11 Meccanica dei fluidi: statica dei fluidi
11.1
Variazione della pressione in un fluido in quiete
11.2
Misure di pressione
11.3
Manometri
11.3.1 Piezometro
11.3.2 Manometro a U
11.4
Strumenti di misura della pressione meccanici ed elettronici
11.5
Forza idrostatica su una superficie piana
11.6
Spinta idrostatica
Sommario e guida allo studio
Esercizi
343
343
347
348
348
349
351
352
356
357
358
Capitolo 12 Equazioni della quantità di moto e dell’energia
meccanica
12.1
Considerazioni preliminari
12.1.1 Forze di volume e di superficie
12.1.2 Viscosità
12.1.3 Flusso incomprimibile
12.2
Equazione della quantità di moto
12.3
Applicazione dell’equazione della quantità di moto
12.4
Equazione di Bernoulli
12.4.1 Derivazione dell’Equazione di Bernoulli dalla seconda legge
di Newton
12.4.2 Pressione statica, dinamica, di ristagno e totale
12.5
Ulteriore esempio dell’utilizzo dell’Equazione di Bernoulli
12.6
Equazione dell’energia meccanica
12.7
Applicazione dell’equazione dell’energia meccanica
12.8
Flusso comprimibile
12.8.1 Velocità del suono e numero di Mach
12.8.2 Proprietà di ristagno
12.9
Flusso monodimensionale stazionario in ugelli e diffusori
12.9.1 Effetti della variazione di area in flussi subsonici e
supersonici
12.9.2 Effetti della contropressione sulla portata massica
12.9.3 Flusso attraverso un urto normale
12.10 Flusso di gas ideali con calore specifico costante in ugelli e diffusori
12.10.1 Funzioni di flusso isoentropico
12.10.2 Funzioni d’urto normale
Sommario e guida allo studio
Esercizi
385
387
389
391
391
395
400
400
Capitolo 13 Similitudine, analisi dimensionale e modellizzazione
13.1
Analisi dimensionale
13.2
Dimensioni, omogeneità dimensionale e analisi dimensionale
13.2.1 Dimensioni
13.2.2 Omogeneità dimensionale
13.2.3 Analisi dimensionale
13.3
Il Teorema pi greco di Buckingham e i parametri pi greco
407
407
408
408
410
410
411
361
361
361
362
364
364
365
371
372
373
375
377
378
382
382
384
384
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Indice
13.4
Metodo della ripetizione delle variabili
13.5
Gruppi adimensionali comuni in meccanica dei fluidi
Correlazione tra dati sperimentali
13.6
Modellizzazione e similitudine
13.7
Sommario e guida allo studio
Esercizi
412
415
416
419
423
424
Capitolo 14 Flussi interni ed esterni
FLUSSI INTERNI
14.1
Caratteristiche generali del flusso in un tubo
14.1.1 Flusso laminare o turbolento
14.1.2 Regione d’ingresso e flusso completamente sviluppato
14.2
Flusso laminare completamente sviluppato
14.3
Caratteristiche del flusso laminare nei tubi
14.4
Flusso turbolento completamente sviluppato
14.4.1 Transizione da regime laminare a turbolento
14.4.2 Profilo di velocità nel regime turbolento
14.5
Perdite di carico nei tubi
14.5.1 Perdite distribuite
14.5.2 Perdite concentrate
14.6
Esempi di calcolo dei flussi nei tubi
14.7
Misura della portata volumetrica in un tubo
FLUSSI ESTERNI
14.8
Strato limite su una piastra piana
14.8.1 Caratteristiche dello strato limite laminare
14.8.2 Transizione del flusso da laminare a turbolento su una piastra
piana
14.8.3 Flusso nello strato limite turbolento
14.9
Caratteristiche generali dei flussi esterni
14.10 Valori del coefficiente d’attrito
14.11 Portanza
Sommario e guida allo studio
Esercizi
427
427
428
428
428
429
430
433
433
434
434
435
438
438
445
448
449
450
PARTE 3 TRASFERIMENTO
450
451
453
455
458
461
461
DEL CALORE
Capitolo 15 Trasmissione del calore: modalità, equazioni e bilanci
energetici
15.1
Modalità di trasmissione del calore: origini fisiche ed equazioni
15.1.1 Conduzione
15.1.2 Convezione
15.1.3 Irraggiamento
15.2
Applicazione del primo principio alla trasmissione del calore
15.3
Bilancio energetico superficiale
Sommario e guida allo studio
Esercizi
465
465
465
467
469
472
477
481
482
Capitolo 16 Scambio di calore per conduzione
16.1
Introduzione all’analisi della conduzione
16.1.1 Approfondimento sulla Legge di Fourier
16.1.2 Equazione del calore
16.1.3 Condizioni al contorno e condizioni iniziali
16.2
Conduzione in regime stazionario
487
487
487
489
491
491
XI
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XII
Indice
16.2.1 Parete piana
16.2.2 Sistemi radiali monodimensionali
16.2.3 Sommario dei risultati della conduzione monodimensionale
16.3
Conduzione con generazione di energia
16.3.1 Parete piana
16.3.2 Sistemi radiali con generazione di energia
16.4
Trasmissione del calore da superfici estese: le alette
16.4.1 Analisi dello scambio termico per conduzione e convezione
16.4.2 Distribuzione della temperatura sull’aletta e flusso termico
16.4.3 Parametri delle prestazioni di un’aletta
16.5
Conduzione in regime variabile
16.5.1 Metodo delle capacità concentrate
16.5.2 Parete piana con convezione
16.5.3 Equazione del calore: forma adimensionale
16.5.4 Sistemi radiali con convezione
16.5.5 Solido semi-infinito
Sommario e guida allo studio
Esercizi
492
499
502
504
504
508
511
512
514
519
522
523
529
530
535
539
542
543
Capitolo 17 Trasmissione del calore per convezione
17.1
Problema della convezione
17.1.1 Strato limite termico
17.1.2 Coefficiente convettivo locale e medio
17.1.3 Correlazioni: stima dei coefficienti convettivi
CONVEZIONE FORZATA
17.2
Flusso esterno
17.2.1 Flusso parallelo su piastra piana
17.2.2 Flusso trasversale su cilindro
17.2.3 Sfera
17.2.4 Guida per scegliere le correlazioni per flusso esterno
17.3
Flusso interno
17.3.1 Considerazioni fluidodinamiche e termiche
17.3.2 Bilancio di energia e metodi di riscaldamento
17.3.3 Correlazioni di convezione per tubi: regione completamente
sviluppata
17.3.4 Guida per la scelta delle correlazioni per il flusso interno
17.4
Convezione naturale
17.4.1 Considerazioni termiche e sul flusso
17.4.2 Correlazioni: la piastra verticale
17.4.3 Correlazioni: la piastra orizzontale
17.4.4 Correlazioni: il cilindro orizzontale e la sfera
17.4.5 Guida alla scelta delle correlazioni per la convezione naturale
APPLICAZIONI DELLA CONVEZIONE: SCAMBIATORI DI CALORE
17.5
Scambiatori di calore
17.5.1 Tipologie degli scambiatori di calore
17.5.2 Analisi degli scambiatori di calore: bilanci energetici,
equazione del flusso termico e coefficiente globale
17.5.3 Scambiatori di calore equicorrente
17.5.4 Scambiatore di calore controcorrente
17.5.5 Condizioni particolari di funzionamento degli scambiatori di
calore
17.5.6 Scambiatori di calore a tubi e mantello e a correnti incrociate
Sommario e guida allo studio
Esercizi
559
559
560
562
563
566
566
566
572
575
577
578
578
581
590
596
596
597
599
601
603
605
606
606
607
608
609
612
613
615
618
619
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Indice
Capitolo 18 Trasmissione del calore per irraggiamento
18.1
Concetti fondamentali
18.2
Quantità e processi legati alla radiazione
18.2.1 Potere emissivo
18.2.2 Irradiazione
18.2.3 Radiosità
18.2.4 Bilancio energetico superficiale con processi di radiazione
18.2.5 Sommario per le grandezze radiative
18.3
Radiazione di corpo nero
18.3.1 Distribuzione di Planck
18.3.2 Legge dello spostamento di Wien
18.3.3 Legge di Stefan-Boltzmann
18.3.4 Banda di emissione di corpo nero
SUPERFICI CON SELETTIVITÀ SPETTRALE
18.4
Proprietà radiative delle superfici reali
18.4.1 Emissione superficiale: emissività
18.4.2 Irradiazione: coefficienti di assorbimento, riflessione
e trasmissione
18.4.3 Relazioni tra le proprietà della radiazione
18.4.4 Riassunto: superfici selettive e grigie
SCAMBIO TERMICO RADIATIVO TRA SUPERFICI IN UNA CAVITÀ
18.5
Fattore di vista
18.6
Scambio per irraggiamento tra corpi neri
18.7
Scambio per irraggiamento tra superfici grigie e diffuse in una cavità
18.7.1 Relazioni dello scambio radiativo: rappresentazione mediante
una rete
18.7.2 Cavità di due superfici
18.7.3 Cavità di tre superfici con una superficie reirradiante
Sommario e guida allo studio
Esercizi
635
635
637
637
637
638
638
639
640
641
642
643
643
647
647
647
Appendice
A1
Indice analitico
649
652
653
658
658
662
665
665
667
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673
674
I1
XIII
