SSD: ING-IND/10
CFU: 6

Insegnamenti propedeutici (se previsti dall'Ordinamento del CdS)

Analisi Matematica I e Fisica Generale.

Eventuali prerequisiti

Nessuno.

Obiettivi formativi

Il modulo fornisce le conoscenze fondamentali della Termodinamica Applicata e della Trasmissione del Calore necessarie a risolvere problemi ingegneristici relativi alla conversione energetica, agli scambi di calore e lavoro in contesti industriali e civili. Al termine della fase di apprendimento l'allievo sarà capace di effettuare l'analisi di sistemi e di processi in cui vi siano trasformazioni energetiche e/o trasferimenti di energia.

Risultati di apprendimento attesi 

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo studente dovrà essere in grado di saper riconoscere e comprendere le differenze tra fenomeni termodinamici differenti, di descrivere le trasformazioni di un sistema termodinamico e di individuare le leggi fondamentali della termodinamica e della trasmissione del calore, al fine di affrontare semplici problemi ingegneristici inerenti ai principi di funzionamento delle macchine termiche, all’analisi dei cicli termodinamici, ai meccanismi di scambio termico e alle relative applicazioni.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine del corso, lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito gli strumenti di valutazione qualitativa e quantitativa al fine di individuare ed utilizzare le procedure e i metodi di calcolo da applicare per la risoluzione di problemi semplici di analisi termodinamica dei sistemi energetici, di trasmissione del calore per conduzione, convezione ed irraggiamento nonché di saper affrontare problemi ingegneristici di base, sviluppando capacità critiche necessarie alla risoluzione di casi affini.

Programma - Syllabus

PRIMA PARTE: TERMODINAMICA           [4  CFU]

CONCETTI E DEFINIZIONI DI BASE

Introduzione al corso. Sistema internazionale di misura. Esercitazione su cifre significative e analisi dimensionale. Sistema ed ambiente. Proprietà, stato ed equazione di stato. Sostanza pura, fase, sistema semplice comprimibile. Termodinamica classica e del continuo, equilibrio locale. Processo e trasformazione quasi statica. Energia, calore, lavoro, temperatura.

TERMODINAMICA DEGLI STATI

Introduzione. Entropia ed equazioni di Gibbs. Entalpia. Calori specifici. Termodinamica degli stati. Superficie caratteristica. Piani termodinamici: pressione-entropia, pressione-volume specifico, temperatura-entropia, entalpia-entropia, pressione-entropia. Modelli: Liquido incomprimibile, vapore saturo, vapore surriscaldato, gas ideale. Esercitazioni. Piano p,h per l'R134a. Diagramma di Mollier. Tabelle di saturazione dell'acqua e dell'R134a. Applicazioni ed esercizi.

EQUAZIONI DI BILANCIO PER LA MASSA; L’ENERGIA e L’ENTROPIA

Equazione di bilancio di una proprietà estensiva. Bilancio di massa per un sistema chiuso ed un sistema aperto. Portata massica e volumetrica. Regime stazionario. Flusso monodimensionale. Bilancio di energia: generalità. Bilancio di energia per un sistema aperto. Bilancio di energia per un sistema chiuso. Bilancio di entropia per un sistema aperto. Bilancio di entropia per un sistema chiuso. Diseguaglianza ed eguaglianza di Clausius. Verso delle trasformazioni e qualità dell'energia.

CONSEGUENZE DELLA PRIMA E DELLA SECONDA LEGGE

Sistemi chiusi: lavoro di variazione di volume. Sistemi aperti: equazioni dell’energia meccanica. Rappresentazione del lavoro reversibile e del calore nei piani termodinamici p,v e T,s. Equazioni dell'adiabatica internamente reversibile. Equazione di Bernoulli. Rappresentazione del lavoro reversibile nel piano termodinamico p,v. Applicazioni ed esercizi: bilanci per sistemi chiusi.

Irreversibilità termica. Problematiche relative alla conversione dell'energia. Macchina termica, rendimento termodinamico, rendimento di seconda legge. Macchina di Carnot, ciclo di Carnot diretto. Ciclo di Carnot inverso, macchina di Carnot inversa. Macchina frigorifera e pompa di calore. Coefficiente di prestazione di prima e seconda legge. Esercitazione sulla termodinamica degli stati ed i bilanci di massa, energia ed entropia per sistemi chiusi e aperti.

COMPONENTI DI SISTEMI APERTI E CICLI TERMODINAMICI

Introduzione. Sistemi aperti: componenti di sistemi termodinamici. Macchine per il trasferimento del lavoro d'elica: turbine a vapore, turbine a gas. Pompe. Compressori. Scambiatori di calore a miscela e a superficie. Condotto. Valvola di laminazione. Applicazioni ed esercizi.

 

SECONDA PARTE - TRASMISSIONE DEL CALORE   [2 CFU]

Introduzione alla trasmissione del calore. Regime stazionario. Flusso termico monodimensionale. Legge di Ohm.

Meccanismi combinati di trasmissione del calore.

IRRAGGIAMENTO

Introduzione. Onde elettromagnetiche. Parametri che caratterizzano l'irraggiamento. Corpi opachi, gas e corpo nero. Leggi fondamentali del corpo nero. Superfici reali. Corpi grigi e grigi a bande. Effetto serra. Scambio termico radiativo tra una superficie e l'ambiente. Fattori di vista. Scambio termico radiativo in cavità: superfici nere, superfici grigie. Casi particolari. Esercitazione sull'irraggiamento. Schermi radiativi.

CONDUZIONE

Introduzione. Legge di Fourier. Lastra piana senza generazione. Resistenza termica. Conducibilità termica. Profilo di temperatura. Pareti composte da più materiali (serie e parallelo). Trasmittanza termica. Cilindro senza generazione. Profilo di temperatura. Cilindri multistrato. Raggio critico d'isolamento. Equazione differenziale della conduzione del calore.

CONVEZIONE

Introduzione. Convezione naturale e forzata. Strato limite di velocità e termico. Regime laminare e turbolento. Legge di Newton. Numeri adimensionali e correlazioni sperimentali per la convezione naturale e forzata. Esercitazione sui meccanismi combinati.

Materiale didattico

Appunti del docente (disponibili sul sito docenti)

Si veda sito web del docente della materia.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L’attività didattica prevede lezioni teoriche frontali, per circa il 65 % delle ore totali, ed esercitazioni numeriche per circa il 35 % delle ore totali.

Verifica di apprendimento e criteri di valutazione

Modalità di esame

L'Esame si articola in prova scritta e orale. In caso di prova scritta i quesiti sono: esercizi numerici.