FISICA TECNICA 1 (BI) Corso di Laurea in Ingegneria BIOMEDICA

FISICA TECNICA 1 (BI)
Corso di Laurea in Ingegneria BIOMEDICA - A.A. 2006/2007
Docenti: Prof. L.A. Tagliafico,
Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e
Modelli Matematici. Sez. termoenergetica e Condizionamento
Ambientale (DIPTEM/TEC) - Università degli Studi di Genova - Via
all'Opera Pia 15a, 16145 Genova - Tel.(010) 3532880.
e-mail: [email protected] - http://www.ditec.unige.it
ARGOMENTI DEL CORSO
Cenni di teoria delle
misure
Misure e sistemi di unità di misura. Sistema Internazionale. Errori di
misura (assoluti, relativi o percentuali, errori casuali, errori sistematici).
Caratteristiche degli strumenti di misura. Curve di probabilità di misure
ripetute.
Grandezze di stato e grandezze di scambio. Unità di misura. Fluidi
Fondamenti di
Termodinamica Tecnica e termodinamici. Relazione (p, v, T) per la sostanza pura. Piano pv. Titolo
di un vapore. Legge dei gas perfetti. Miscele di gas e legge di Dalton.
Trasmissione del calore
Meccanismi di scambio di calore e lavoro. Trasformazioni di un sistema.
Il fattore tempo nello sviluppo dei processi termodinamici.
Meccanismi generali di trasmissione del calore.Conduzione, convezione,
irraggiamento. Analogia elettrica e resistenze termiche. Conduzione in
geometria piana e cilindrica. Trasmittanza. Isolamento termico.
Formulazione dell’equazione generalizzata di bilancio e principi di
conservazione. Primo principio per i sistemi chiusi. Energia interna. Primo
principio per i sistemi con deflusso. Lavoro di pulsione e lavoro d'elica.
Entalpia. Processi in transitorio. Raffreddamento/riscaldamento di un
corpo sottile in ambiente convettivo.
Processi energetici
Secondo principio della termodinamica. Entropia. Significato operativo di
calore e lavoro. Il ciclo di Carnot ed il piano Ts. Relazioni fondamentali
Tds. Rendimenti di conversione energetica. Rendimenti energetici ed
exergetici. Tabelle per il vapor d'acqua. Piani Ts ed hs. Rendimenti
isoentropici. Cicli motori (diretti). Macchine a ciclo inverso. Fluidi
frigorigeni. Piano ph ed utilizzo dei diagrammi pressione-entalpia di
alcuni fluidi frigorigeni. Impianti frigorigeni, a pompa di calore, ad
adsorbimento.
Fluidodinamica monofase
Equazione di Bernoulli. Fattore di attrito e diagramma di Moody. Caduta
di pressione nelle singolarità. Circolazione forzata e naturale. Camini.
Termodinamica dell'aria
umida
Grandezze psicrometriche e loro definizione. Diagrammi ASHRAE per lo
studio delle trasformazioni. Nozioni di psicrometria.
TESTI DI RIFERIMENTO
C.Bonacina, A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica applicata, Cleup 1988.
G. Guglielmini, C.Pisoni, Introduzione alla trasmissione del calore, Casa Editrice Ambrosiana, 2002.
G. Guglielmini, C.Pisoni, E. Nannei Problemi di termodinamica tecnica e trasmissione del calore, Ed. EGIG, 1993.
L. Tagliafico, P. Cavalletti, Nozioni di analisi numerica applicate a problemi di termodinamica tecnica e trasmissione
del calore, CLU Genova, 1993.
TESTI DI CONSULTAZIONE
M.J. Moran , H.N. Shapiro: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley and Sons, Inc, 1988.
A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley and Sons, Inc, 1993.
Douglas, Gasiorek, Swaffield, Fluid Mechanics, Pitman Int. Ed., 1979.
Corso di
FISICA TECNICA 1
per il corso di Laurea in Ingegneria BIOMEDICA
Docente L. A.Tagliafico
Obiettivi formativi
Fornire agli studenti le nozioni indispensabili per il corretto uso dei fondamenti di termodinamica tecnica e trasmissione
del calore nel settore dell’energetica, della termoigrometria e delle applicazioni di interesse biomedico ed elettronico.
Programma
Termodinamica Applicata: Sistemi e proprietà termodinamiche. Equazioni di bilancio e di conservazione; energia
interna, entalpia, entropia, titolo di un vapore. Cicli termodinamici. Cicli motore. Cicli inversi a compressione e
macchine frigorifere. Termodinamica dell’aria umida e psicrometria. Il diagramma ASHRAE e le trasformazioni
dell’aria umida.
Termofluidodinamica: Equazione di Bernoulli. Fattore di attrito e diagramma di Moody. Caduta di pressione nelle
singolarità. Sistemi a circolazione forzata e naturale. Camini.
Trasmissione del calore: Fondamenti di conduzione, convezione ed irraggiamento. Analogia elettrica per i problemi di
trasmissione del calore. Soluzione di alcuni problemi di particolare interesse (conduttanze in geometria piana e
cilindrica, isolamento termico, transitorio di un corpo sottile).
Cenni di teoria delle misure.
Tipologia delle attività
Il corso prevede lezioni teoriche (circa 35 ore) esercitazioni di calcolo numerico (circa 20 ore).
Prerequisiti: nozioni di analisi matematica, fisica e geometria
TESTI DI RIFERIMENTO
C.Bonacina, A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica applicata, Cleup 1988.
G. Guglielmini, C.Pisoni, Introduzione alla trasmissione del calore, Casa Editrice Ambrosiana, 2002.
G. Guglielmini, C.Pisoni, E. Nannei Esercizi di termodinamica tecnica e trasmissione del calore, Ed. EGIG Genova,
1993.
L. Tagliafico, P. Cavalletti, Nozioni di analisi numerica applicate a problemi di termodinamica tecnica e trasmissione
del calore, CLU Genova, 1993.
Testi di consultazione:
M.J. Moran, H.N. Shapiro: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley and Sons, Inc, 1988
A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley and Sons, Inc, 1993
Douglas Gasiorek, Swaffield, Fluid Mechanics, Pitman Int. Ed., 1979.
FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS
(BIOENGINEERING)
L. A.Tagliafico
Scope
Use of the fundamental laws of thermodynamics (mass, momentum and energy conservation) and heat transfer for
applications related to energy conversion, refrigeration, and issues involving biomedical and electronic applications.
Program
Open and closed system energy balance. Thermodynamic properties (mass, energy, enthalpy, entropy, quality, and so
on).Energy conversion processes and refrigeration plants. Fluid dynamics: friction factors and Bernoulli equation for
natural and forced convection in ducts. Gas mixtures and pshycrometrics: air conditioning processes and ASRAHE
diagram for moist air.
Fundamentals of heat transfer: conduction, convection and radiation. Numerical techniques for the solution of steady
and transient heat transfer problems. Elements on fins, heat transfer generation, and temperature mesurement
techniques.
Laboratory activities: Measurement techniques. One test among: Thin body temperature transient measurements, heat
exchangers, thermal conductivity measurements and thermal insulation properties. Testing of refrigerators. Infrared
thermography.
Activities
The course in based on theoretical lectures (about 35 hours) numerical calculations for practical applications (about 15
hours).
Requirements: some knowledge on fundamentals of mathematics and physics.
Reference books
M.J. Moran, H.N. Shapiro: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley and Sons, Inc, 1988
A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley and Sons, Inc, 1993
Douglas Gasiorek, Swaffield, Fluid Mechanics, Pitman Int. Ed., 1979.
Also suggested:
C.Bonacina, A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica applicata, Cleup 1988.
G. Guglielmini, C.Pisoni, Introduzione alla trasmissione del calore, Casa Editrice Ambrosiana, 2002.
G. Guglielmini, C.Pisoni, E. Nannei Esercizi di termodinamica tecnica e trasmissione del calore, Ed. EGIG Genova,
1993.
L. Tagliafico, P. Cavalletti, Nozioni di analisi numerica applicate a problemi di termodinamica tecnica e trasmissione
del calore, CLU Genova, 1993.
Corso di Fisica Tecnica 1 - Modulo I semestre CdL Ing. Biomedica
A.A 2006/2007(lezioni programmate 18 Sett.- 15 Dic. 2004)
Argomento
Data
Docente: Prof. Ing Luca Tagliafico – Seminari ed esercitazioni: Ing. Emanuele CARREA
Lu 18/9
Presentazione del corso. Obiettivi formativi. Pianificazione compitini.
Misure e sistemi di unità di misura. Errori di misura (assoluti, relativi, sistematici, casuali) e strumentazione. TGL 14-17
Propagazione degli errori di misura. Curva di probabilità dei risultati di una misura.
Sistemi e proprietà dei sistemi. Grandezze intensive ed estensive, grandezze di scambio e di stato (p,v, T etc.)..
Sistemi chiusi, aperti ed equazione generalizzata di bilancio. Equazione generalizzata di bilancio applicata ad un
volume di controllo. Equazione di conservazione della massa. Principio di conservazione della massa per sistemi
aperti (anche transitorio).
Esempi applicativi in regime stazionario e transitorio (processi di riempimento, recipienti e bacini idrici). Esempio
conservazione della massa (livello di un bacino). Proprietà dei fluidi ed equazione di stato. Fluidi termodinamici
semplici (a due variabili)
ESERCITAZIONI:
Pressione, temperatura e loro misure (vedi dispense). Legge del gas perfetto. Miscele di gas ed eq. di Dalton.
ven 22/9 TGL
14-16
Lu 25/9
TGL 14-15.15
Lun 25/9
EMA 15.30-17.00
Scambi di energia (calore e lavoro). Energia cinetica e potenziale, scambio di lavoro come pdV. Scambi di lavoro. Ven 29/9 TGL
14-16
Scambi di lavoro per sistemi deformabili (pdv). Energia interna.
I principio della Termodinamica come estensione del principio di cons. dell'energia meccanica per sistemi adiabatici
e non.
Meccanismi di scambio di calore: conduzione, convezione, irraggiamento. Analogia elettrica. Resistente termiche.
Esempi di resistenze termiche in serie ed in parallelo. Esempi di pareti a più strati. Conduzione in geometria piana
(trasmittanza). Revisione ed esercizi. Preparazione prova scritta.
ESERCITAZIONI: Tabelle energia interna come mezzo di formulazione dell'equazione di stato per i gas. Esercizi.
Trasformazioni dei sistemi chiusi (trasf. adiabatica, ciclica etc.). (ES. n.1)Esempi di applicazione della legge dei g.p.
I P.T. e trasformazioni sistemi chiusi anche in transitorio. Tabelle dei gas e del vapor d’acqua (vedi anche vapori
Es.3). Esempi numerici.
Estensione del primo principio ai sistemi con deflusso come caso particolare dell'equazione di bilancio. Equazione
di continuità. Lavoro di pulsione e lavoro d'elica. Definizione di entalpia. Processi in transitorio di sistemi chiusi ed
aperti. Proprietà dei fluidi termodinamicamente semplici. Piano p-v. Fluidi bifase e titolo. Vapori, titolo, regione del
gas.
Introduzione al secondo principio della termodinamica?
Formulazione del secondo principio della termodinamica. Enunciati di Clausius e Kelvin. Significato operativo di
calore e lavoro. Cicli motori. Rendimenti di primo e secondo principio.Il ciclo di Carnot ed il piano Ts. Relazioni
fondamentali Tds e proprietà termofisiche dei fluidi. Esempi. Rendimenti di conversione energetica (di I e II
principio, ciclo di riferimento Carnot). Aspetti applicativi del secondo principio della termodinamica. Equazione di
bilancioentropico per sistemi aperti e chiusi.
ESERCITAZIONI :
Esercizi su sistemi aperti e chiusi con calcoli entropici. Definizione del rendimento
isoentropico di espansione e di compressione. Esempi.Esercizi in preparazione del compitino. Sistemi aperti e
chiusi. Esempi numerici. Calcoli di scambio termico.
ESERCITAZIONI PREPARAZIONE AL COMPITINO N.1
Lun 2/10
TGL 14-15.15
Lun 2/10
EMA 15.30-17.00
ven 6/10
TGL 14-16
Lun 9/10
TGL 14-15.15
Lun 9/10
EMA 15.30-17
ven 13/10
EMA 14.00-16.00
Meccanismi di scambio termico. Conduzione, convezione, irraggiamento.
Lun 16/10
TGL 14-15
COMPITINO N.1 - PROVA SCRITTA N.1 – Termodinamica dei sistemi aperti e chiusi. Trasformazioni di fluidi Lun 16/10
termodinamici. Energia interna, entalpia, entropia. Piano T-S, piano p-v, etc.
TGL 15.-17
ven 20/10
TGL 14-16
Lun 23/10
DA QUI IN POI SOLO INDICATIVO (AA 2005/06)
TGL 14-15.15
ESERCITAZIONI : Lavoro massimo ottenibile ed exergia. Piano ph Cicli inversi frigoriferi ed a pompa di calore. Lun 24/10
COPmax (ciclo di Carnot) ed effetti delle irreversibilità di scambio termico (dT) e degli attriti. Impianti a ciclo EMA 15.30-17
inverso a compressione di vapore. Metodo di calcolo, prestazioni reali e fluidi frigorigeni. Piano p-h dei fluid
frigorigeni. Piano ph per R134A. Cicli ad adsorbimento.Calcolo degli impianti a ciclo inverso (esempio completo
anche su dispense). Espressione del lavoro di compressione ideale e rendimento isoentropico di compressione
Gio 27/10
TGL 17-19
Transitori termici: corpo sottile in raffreddamento o con generazione di calore. Esempi applicativi . Preparazione Gio 3/11
prova scritta.
TGL 17-19
Trasmittanza in geometria piana. Conduzione in geometria cilindrica. Trasmittanza in geometria cilindrica.
Lun 7/11
TGL 10-11.30
PROVA SCRITTA N.2 Cicli motori ed impianti frigoriferi.Trasmissione del calore. Meccanismi di scambio Lun 7/11
termico. Applicazioni, anche in transitorio, dei principi termodinamici e di trasmissione del calore.
KYA/TGL 11.-13
Trasmittanza riferita all’unitá di lunghezza in geom. Cilindrica. Problema dello spessore critico di isolamento.
Gio 10/11
Esercizi.
TGL 17-19.00
Moto dei fluidi nei condotti. Relazione dp-dSgen. Equazione di bernoulli. Sistemi a circolazione naturale.
Lun 14/11
TGL 10-11
Esercizi di calcolo sulla trasmissione del calore e sui transitori termici. (Corpo sottile, bilanci globali, etc.)
Lun 14/11
KYA 11-13
Viscosità dinamica e cinematica dei fluidi. Definizione di tensione tangenziale nei fluidi. Equazione di Darcy e Gio 17/11
relazione tra fattore di attrito nei condotti e termine di irreversibilità TdSgen. Metodi di misura del fattore di attrito TGL 17-19
f. Moto laminare e moto turbolento.
Sitemi a circolazione forzata. Equazione di continuità. Caratteristiche dei circolatori. Caratteristiche di un circuito. Lun 21/11
Accoppiamento pompa-circuito.
TGL 10-11
ESERCITAZIONI: Applicazioni dell’equazione di Bernoulli, anche con l’uso estensivo dell’equazione di continuità Lun 21/11
KYA 11-13
Numero di Reynolds e diagramma di Moody per il calcolo del fattore di attrito. Perdite di carico concentrate e gio 24/11
TGL 17-19
distribuite. Dimensionamento di un camino in convezione naturale.
Considerazioni conclusive sul moto dei fluidi nei condotti. Pompe in serire ed in parallelo. Esempi applicativi in
medicina
Introduzione alla termodinamica dell’aria umida. Definizione delle grandezze delle miscele aria-vapor d’acqua.
Grado idrometrico, umidità relativa, pressione di saturazione, temperatura di rugiada.
ESERCITAZIONI: Applicazioni dell’equazione di Bernoulli, anche con l’uso estensivo dell’equazione di
continuità. Applicazioni dell’equazione di Bernoulli, calcolo di un camino.
Temperatura al bulbo asciutto, temperatura di rugiada e temperatura di saturazione adiabatica. Trasformazioni
dell’aria umida. Il diagramma Ashrae per il calcolo delle proprietà dell’aria umida.
ESERCITAZIONI:Termodinamica dell’aria umida. Proprietà e metodi di calcolo. Esercizi..
Lun 28/11
TGL 10-11.00
Lun 28/11
KYA 11-13
Lun 5/12
TGL 10-11
Lun 5/12
KYA 11-13
Trasformazioni psicrometriche dell’aria umida: bilanci di massa ed energia di componenti per il trattamento Gio 8/12
dell’aria.
TGL 10-11.
Trasformazioni aria umida. Il processo di raffreddamento e deumidificazione.
Lun 12/12
10-11
PROVA SCRITTA N.3 – Bernoulli ed aria umida. Revisione compitini
Lun 12/12
KYA/TGL 10.0012.00
RECUPERI PROVE SCRITTE E REVISIONE ELABORATI
Gio 15/12
TGL+KYA
11-13
PROVE ORALI
PROVE ORALI
PROVE ORALI
Lun 19.12.05
TGL+KYA
mattina
Gio 22.12.05
TGL+KYA
mattina (ore 9) e
pomeriggio (ore
15.00)
Lun 16.1.06
TGL+KYA
mattina
Università degli Studi di Genova
DIPARTIMENTO DI TERMOENERGETICA E
CONDIZIONAMENTO AMBIENTALE
DITEC
FISICA TECNICA 1
Corso di Laurea ing. Biomedica
(II anno - Crediti: 5)
MODALITÁ D'ESAME A.A. 2005/06
L'esame si svolge in due parti, una pratica (prova scritta) e tre domande orali. Il
voto finale é dato dalla media dei 4 voti riportati nelle prove.
Gli allievi che non superano la prova scritta sono sconsigliati dal presentarsi
all'orale.
PROVA SCRITTA
La prova scritta va svolta, fuori dai periodi di lezione, secondo il calendario
delle prove scritte comuni a tutti corsi di Fisica Tecnica afferenti al
DIPTEM/TEC (generalmente il primo venerdí del mese), ed ha validitá fino alla
data dello scritto successivo.
PROVE ORALI
Si svolgono secondo il calendario ufficiale, generalmente il primo giovedì
pomeriggio successivo alla data dello scritto. La prova orale va sostenuta
immediatamente dopo lo svolgimento della prova scritta, e comunque prima
della data dello scritto successivo.
ESONERI: gli studenti che seguono con profitto le lezioni durante l'anno in
corso possono sostenere l’esame svolgendo le prove pratiche (prove scritte
parziali) proposte nell'ambito delle esercitazioni.
L’esito delle prove pratiche può essere integrato da una prova orale facoltativa,
da sostenere, secondo il calendario ufficiale, entro il 31 Luglio successivo al
semestre in cui il corso è stato seguito.
Il DOCENTE
Prof. L.A. Tagliafico
Corso di Fisica Tecnica 1 - Modulo I semestre CdL Ing. Biomedica
A.A 2006/2007(lezioni programmate 18 Sett.- 15 Dic. 2006)
Il corso nell’A.A 2006/07 si svolgerà nel periodo 18.09.05 – 15.12.05, durante
il quale verranno svolti 3 compitini su altrettante parti del corso:
1 – 16/10/06 – Termodinamica e Processi energetici: sistemi aperti e chiusi,
fluidi termodinamici, trasformazioni e processi. Energia interna, entalpia,
entropia. Fluidi bifase. Cicli motori (definizione) e rendimenti termodinamici di
I e II principio.
2 – 13/11/06. Meccanismi di scambio termico, entropia e rendimenti
isoentropici. Cicli (di Carnot) diretti e inversi. Impianti a ciclo inverso ed
applicazioni macchine frigorifere a compressione di vapore. Applicazioni,
anche in transitorio, dei principi della termodinamica e della trasmissione del
calore.
3 - 11/12/06 - Termofluidodinamica monofase (Bernoulli, moto dei fluidi nei
condotti ed applicazioni) e termodinamica dell’aria umida (trasformazioni).
La media delle votazioni riportate nelle tre prove potrà essere acquisita come
voto finale d’esame.
E’ obbligatorio avere almeno un giudizio superiore a 10/30 su ciascuna delle tre
parti dell’esame.
Qualora sia necessario o l’allievo lo ritenga opportuno sarà possibile sostenere
una prova orale integrativa sugli argomenti previsti da uno o più compitini,
sostituendo la votazione del compitino con quella riportata nella parte orale
corrispondente.