CdSINGEGNERIA MECCANICA
Codice107II
CFU9
PeriodoPrimo semestre
LinguaItaliano
| Moduli | Settore/i | Tipo | Ore | Docente/i | |
| FISICA TECNICA | ING-IND/10 | LEZIONI | 90 |
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- Apprendere i principi fondamentali della termodinamica e le loro implicazioni tecniche.
- Apprendere e sapere applicare correttamente i bilanci di massa, energia, entropia ed exergia (o disponibilità) ai sistemi tecnici aperti ed alle macchine termiche cicliche
- comprendere il funzionamento dei dispositivi di conversione dell’energia (in particolare, le macchine a fluido motrici ed operatrici);
- apprendere le tecniche di uso razionale e risparmio dell’energia primaria;
- apprendere i meccanismi fondamentali di trasmissione del calore.
The student who successfully completes the course will have the ability to understand the working principles of thermal engines and heat systems and to solve design and performance problems related to them. He will be able to demonstrate a solid and operational knowledge of principles of thermodynamics in the form of balance equetions, including availability analysis, and of the basic mechanisms of heat transfer (conduction, radiation, convection).
L'esame consiste nello svolgimento scritto di uno o più problemi assegnati sul momento, seguito da un orale in cui vengono discussi lo scritto e le esercitazioni assegnate durante l'anno.
Durante lo scritto è possibile consultare appunti, libri e dispense, e usare una calcolatrice, ma non è consentito l'uso del personal computer.
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.The student must demonstrate the ability to solve, with critical awareness, design and operation problems of thermal systems analogous to the ones introduced in classes.
Methods:
- Final oral exam
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- Saper ricavare le proprietà termodinamiche dei fluidi ed utilizzare i diagrammi di stato.
- Saper descrivere e rappresentare graficamente i principali sistemi energetici, macchine a fluido e apparecchiature per la conversione dell'energia.
- Saper calcolare le prestazioni dei sistemi energetici, nonché dei loro singoli componenti.
- Saper classificare le fonti di energia ed i sistemi di conversione. Saper calcolare la massima energia meccanica ottenibile da ciascuna forma di energia disponibile.
- Saper risolvere semplici problemi di trasmissione del calore.
Le capacità acquisite saranno verificate e valutate in sede di esame
Lo studente dovrà partecipare attivamente alle lezioni. Lo studente dovrà responsabilmente concludere le esercitazioni assegnate durante il corso. Egli dovrà essere capace di analizzare i problemi in autonomia e di proporre soluzioni.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di partecipare attivamente alle lezioni (chiedendo dettagli, individuando eventuali errori nei materiali didattici, commentando le soluzioni proposte dal docente).
Fondamenti di Analisi Matematica: derivate totali e parziali, integrali, semplici equazioni differenziali.
Fondamenti di Fisica I (meccanica): concetti di forza, lavoro, potenza; conservazione dell’energia meccanica; fondamenti di idrostatica (pressione, galleggiamento).
Dato il carattere applicativo, le esercitazioni sono strettamente integrate nella teoria in modo che ogni nuovo argomento teorico trovi immediata applicazione pratica.
Lo studente dovrà redigere personalmente un certo numero di elaborati, concernenti lo studio numerico e grafico di trasformazioni o cicli termodinamici, che verranno discusse in sede di esame.
Delivery: face to face
Attendance: Advised
Learning activities:
- attending lectures
- preparation of oral/written report
- individual study
- Practical
Teaching methods:
- Lectures
- project work
- Other
1. Concetti fondamentali della termodinamica
Sistema, ambiente, contorno; sistemi aperti e chiusi.
Proprietà di stato e equazioni di stato. Variabili estensive ed intensive. Stato di equilibrio e stato stazionario. Trasformazioni reversibili e irreversibili.
Gli scambi di materia: portata massica e volumica. Gli scambi energetici: lavoro meccanico (di dilatazione e di efflusso), lavoro generalizzato (cenni), calore.
Principio zero e temperatura.
Primo principio della termodinamica: energia interna ed entalpia.
Secondo principio (cenno preliminare): integrale di Clausius, entropia, equazioni di Gibbs.
2. Legami tra funzioni di stato
I coefficienti termodinamici (cp, cv, b, k)
3. I fluidi bivarianti.
I vapori saturi. I diagrammi termodinamici: di Andrews (p,v), di Regnault (p,T), entropico (T,s), entalpico o di Mollier (h,s). Diagramma (p,h). La determinazione dello stato fisico. Titolo del vapore e grado di vuoto.
Il modello di gas perfetto. Cenno alle equazioni di stato per i gas reali. Miscele di gas ideali.
Il modello di fluido incomprimibile.
4. Equazioni di bilancio della termodinamica
Bilancio di massa, energia ed entropia.
Casi particolari: sistemi chiusi, sistemi aperti in regime permanente.
5. Componenti di sistemi termodinamici
Lavoro e potenza di espansione e compressione. Espansione e compressione irreversibili: rendimento isoentropico. Compressione multistadio.
Caldaie e scambiatori di calore.
Il processo di laminazione.
Ugelli e diffusori.
6. Moto dei fluidi nei condotti
Equazione di Bernoulli generalizzata e sua applicazione al calcolo dei condotti.
7. Macchine termiche semplici. Cicli termodinamici. Disponibilità ed exergia.
Enunciati di Clausius e Kelvin-Planck e loro equivalenza.
Cicli termodinamici semplici diretto (di Carnot) e inverso. Rendimento, COP e loro significato.
Cenni alla funzione disponibilità ed al bilancio exergetico.
8. Cicli diretti a gas e vapore
Ciclo Rankine-Hirn: ciclo a vapor saturo e surriscaldato, spillamenti (cenno) e risurriscaldamenti. Ciclo Joule-Brayton: ciclo semplice, ciclo rigenerato, compressioni multiple, effetto delle irreversibilità.
Ciclo combinato. Ciclo Otto e ciclo Diesel, ciclo Sabathè e cenni ai motori alternativi a combustione interna
9. Cicli inversi a vapore
Ciclo frigorifero umido e secco: ciclo termodinamico e principali componenti dell’impianto. Pompe di calore.
Cenni al ciclo frigorifero ad assorbimento.
10. Cenni ai meccanismi di trasmissione del calore
Trasmissione del calore per conduzione, irraggiamento, convezione, con semplici applicazioni.
11. Elementi di psicrometria
Proprietà terrmodinamiche dell’aria umida, diagramma di Mollier, principali trasformazioni dell’aria umida e relativi bilanci.
Applicazioni alle torri di raffreddamento.
Basic concepts and definitions in Thermodynamics. Principles of Thermodynamics: zeroth and temperature, first and energy, second (Clausis inequality) and entropy. Irreversible and reversible processes.
Thermodynamic properties of pure substances, equations of state, state diagrams, thermodynamic coefficients. Ideal gas and incompressible fluid models.
Generalized balance equations of mass, energy and entropy in lumped parameter formulation. Steady state open system (control volume) analysis. Basic open systems in steady state (turbines, compressors, heat exchangers, nozzles and diffusers).
Viscous steady flow of incompressible fluid in ducts: mass and energy balance (generalized Bernoulli equation). Kinematic and dynamic viscosity. Turbulent and laminar motion, Reynolds number. Singular (minor) and friction pressure losses, Darcy-Weisbach coefficient, Moody's diagram. Pumps. Design of piping systems.
Working principles of simple (Carnot) direct and inverse machines. First- and second-principle efficiency. Coefficient of performance of inverse cycles. Principles of availability (exergy) analysis for open and closed systems. Exergy balance.
Power and refrigeration systems of industrial interest: Rankine, Brayton, Otto, Diesel and Stirling cycles. Vapor-compression refrigerators and heat pumps. Absorption refrigeration.
Basic mechanisms in heat transfer: steady-state conduction, convection and radiation.
Properties and processes of moist air: psychrometry. Cooling towers.
Le dispense del corso coprono integralmente programma svolto. Le dispense sono disponibili su carta, CD-ROM o scaricabili direttamente dalla rete (homepage del docente). Esse includono anche una raccolta di esercizi, molti dei quali risolti.
Nel seguito sono elencati ulteriori testi, utili per approfondimenti. E’ consigliabile provare a leggere almeno un capitolo su un testo in inglese per acquisire la relativa terminologia tecnica.
In italiano – per la parte termodinamica e trasmissione del calore
- Cesini, Latini, Polonara, Fisica Tecnica, Città Studi, 2017 (testo di riferimento oltre alle dispense)
- Cengel, Cimbala, Turner, Elementi di Fisica Tecnica, McGraw-Hill, 2017 (testo di riferimento oltre alle dispense)
- Moran, Shapiro, Munson, DeWitt., Elementi di Fisica Tecnica per l’Ingegneria, trad. M. Corticelli, McGraw-Hill, 2011
In italiano – per la parte macchine termiche e impianti
- Della Volpe, Macchine, Liguori, Napoli, 1994.
- Anglesio, Elementi di Impianti Termotecnici, Pitagora, Bologna, 1998.
In inglese - per la parte termodinamica
- Moran and H. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Wiley, NY,
- Sonntag and G. Van Wylen, Introduction to Thermodynamics: Classical and Statistical, Wiley, NY
Testi di esercizi
- Boeche, A. Cavallini e S. Del Giudice, Problemi di Termodinamica Applicata, CLEUP, Padova, 1992.
- Schaum Electronic Book, Thermodynamics (un libro elettronico interattivo, scritto in Mathcad).
Tutti i testi in inglese e quelli di Cengel e di Mastrullo et al. contengono numerosi esercizi, molti dei quali risolti.
Course lecture notes (in Italian).
Cesini, Latini, Polonara, Fisica Tecnica, Città Studi, 2017 (reference textbook)
Moran, Shapiro, Munson, DeWitt, Introduction to Thermal Systems Engineering, Thermodynamics, Fluid Mechanics and Heat Transfer, McGraw-Hill
Y.A. Cengel, Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, McGraw-Hill (alternative reference textbook, in English)
Advised textbooks for advanced learning:
J. Moran and H. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Wiley,
NY, R. Sonntag and G. Van Wylen, Introduction to Thermodynamics: Classical and Statistical, Wiley, NY
Una guida allo studio dettagliata è disponibile presso il docente
L'esame consiste in una prova orale che include la discussione di elaborati (“tavole”) redatti durante l'anno. Durante l’esame verrà assegnato un esercizio da risolvere svolgendo anche i calcoli e pervenendo ad un risultato numerico. Non sono previste prove in itinere.
La valutazione dell’esame tiene conto:
- della preparazione raggiunta dal candidato (sulla base dell'elaborazione delle tavole e della prova orale);
- della familiarità acquisita sia con le nozioni impartite nel corso sia con le conoscenze pregresse che formano la base della cultura tecnica;
- della capacità di risolvere autonomamente i problemi utilizzando le nozioni apprese;
- dell'apporto personale agli elaborati presentati e della capacità di giustificare le scelte operate in tale ambito;
ed infine della capacità di esprimersi in un linguaggio tecnico chiaro ed appropriato.