ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| FISICA TECNICA INDUSTRIALE | ING-IND/10 | LEZIONI | 60 |
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Lo studente che completa con successo l’intero percorso di questo corso acquisirà una conoscenza dei principi, dei processi e dei concetti della termodinamica. Egli avrà una solida conoscenza dei principi fondanti della termodinamica e delle leggi fisiche alla base dei bilanci energetici. Egli sarà capace di mostrare adeguata conoscenza delle sostanze e delle miscele omogenee, rappresentandone le principali proprietà termodinamiche nei diversi stati di aggregazione della materia. Egli avrà una conoscenza teorica dei bilanci energetici delle principali macchine termiche. Egli sarà in grado di modellizzare il moto dei fluidi nei condotti sia per moti a bassa velocità che per quelli ad alta velocità. Avrà una conscenza teorica dei principali cicli termodinamici dei motori termici (Aria e vapore) e delle macchine frigorifere. Conoscerà i concetti fondamentali dello scambio termico. Sarà in grado di modellizzare processi di scambio termico per conduzione, convezione e irraggiamento per corpi con geometria semplice.
The student who successfully completes the course will have the knowledge of main principles, processes and general concepts of thermodynamics. He will have a solid knowledge of the thermodynamics fundamentals and he will know the physical principles of energy balances. He will be able to show his knowledge of general concepts of the substances and the homogeneous mixtures, evaluating the main thermodynamic properties at the different states. He theoretically will know the energy balances applied to the main thermal machines. He will be able to the ducts flow both at high and low velocities. He basically will know the main thermodynamic cycles for the classic engines (air and steam) and the refrigerators. He basically will know the heat transfer processes. He further will be able to model the heat transfer based on conduction, convection and irradiation for the simplest geometries
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di discutere i maggiori contenuti del corso usando un linguaggio chiaro e una metodologia appropriata. Lo studente dovrà esporre con chiarezza i concetti generali del corso e deve essere abile di collegare differenti argomenti del corso da un punto di vista teorico.
Metodo:
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. The student must clearly explain the general concepts of this course and must be able to connect different topics of this course from a theoretical point of view.
Methods:
Lo studente che completerà il corso con successo sarà capace di eseguire un bilancio energetico di qualsiasi sistema termodinamico con una critica consapevolezza. Egli sarà abile di valutare l’impatto delle irreversibilità sui principali processi termodinamici e per le più importanti macchine termiche. Egli sarà in grado di predirre the portate, le pressioni, le perdite di carico dinamico and le velocità all’interno di generici condotti (tubazioni, ugelli, canne fumarie..). Egli sarà in grado di vautare i rendimenti termodinamici e i fabbisogni energetici dei principali motori termici e delle macchine frigorifere. Lo studente sarà in grado di progettare preliminarmente e risolvere i più semplici problemi di scambio termico.
The student who successfully completes the course will able to do the energy balance of any thermodynamic system with critical awareness. He will be to evaluate the irreversibility effect on every thermodynamic processes and machines. He will be to predict the mass flow rates, pressure, pressure losses and velocities in a generic duct (pipeline, nozzles, chimney, …). He will be able to basically evaluate the energy efficiencies and the energy needs of the main thermal engines and refrigerators. The student will be able to preliminary design and solve the simplest heat transfer problems
Lo studente sarà valutato oralmente sulla sua capacità di calcolare l’evoluzione e i principali scambi energetici di un processo termodinamico o di una macchina termica. Sarà inoltre valutato sulle capacità di calcolare le pressioni le velocità e le temperature di fluido all’interno di un condotto e in ultimo di risolvere un semplice problema di scambio termico.
Metodo:
Lo studente dovrà risolvere analiticamente tre diversi problemi (esercizi) durante il suo esame orale:
The student will be orally assessed on his/her ability to evaluate the main heat and work exchanges and the thermodynamic states of a complex thermodynamic process or of a thermal machine. He will be further assessed on his ability to calculate pressure, velocity and temperature of flow in ducts and lastly to solve a simple heat transfer problem.
Methods:
The student should analytically solve three different problems during his oral examination:
Lo studente dovrà partecipare attivamente alle lezioni. Lo studente dovrà responsabilmente concludere i compiti assegnati durante il corso. Egli dovrà essere capace di analizzare i problemi in autonomia e di proporre soluzioni che da discutere in gruppi di lavoro. Egli dovrà adattare il proprio comportamento alla risoluzione dei diversi problemi tecnici incontrati durante il corso.
The student should busily attend the lessons. The student should complete the assigned tasks with responsibility He should be capable of solving the problems alone and proposing solutions that must be discussed in working team. He should adapt own behaviour to circumstances in solving problems faced during the course.
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 e in ultima istanza, calcolare in autonomia i principali parametri tecnici dell’esercitazioni pratiche).
The student will be assessed on his/her ability to actively collaborate during the lessons (asking details, checking the eventual errors in the teaching materials, commenting the solutions proposed by teacher and lastly, calculate the main technical parametric during the practises).
Analisi matematica: Siano appresi i concetti di: funzione (anche a più variabili), limite, derivata, integrale, Trigonometria, Equazioni differenziali lineari.
Fisica: Misura delle grandezze fisiche e unità di misura. analisi dimensionale. Principi ed equazioni fondamentali della meccanica. Energia.
Algebra: Grandezze scalari e vettoriali. Elementi fondamentali del calcolo vettoriale.
Mathematics: The student should know the basic concepts of: function (even with more variables), limit, derivative, integral, trigonometry and the linear differential equations:
Physics: Main physical parameter measurement and measurement unit definition. Dimensional analysis. Principles and fundamentals of: mechanics and energy.
Algebra: scalar and vector parameters. Fundamentals of the operation with vectors and matrix.
Lezioni frontali (60 ore).
Frequenza: raccomandata
Termodinamica dei sistemi
Definizioni di sistema termodinamico. Lo stato di equilibrio termodinamico e il postulato di stato. I principali parametri di stato e le loro unità di misura. I parametri intensivi: pressione, temperatura e le grandezze specifiche. I parametri estensivi: massa e volume. Il concetto di trasformazione e di reversibilità della trasformazione. Il calore e la sua trasmissione. Il principio zero della termodinamica. Il calore specifico. Il lavoro di trasformazione e quello continuo. Il regime permanente. Il lavoro meccanico e il lavoro di pulsione.
Il primo principio della termodinamica. L'energia interna e l'entalpia. Il primo principio della termodinamica nei sistemi aperti. Definizione di volume di controllo. Schematizzazione di sistemi aperti ed applicazione del primo principio per: scambiatori di calore, turbine e compressori, camini, etc.
I serbatoi di energia ed i motori termici. I processi ciclici. Le macchine per la produzione di lavoro e le macchine frigorifere. Il secondo principio della termodinamica. I due enunciati di Kelvin-Thompson e di Clausius. Concetto di rendimento termico di cicli diretti. Il COP per le macchine frigorifere e per le pompe di calore. Traformazioni irreversibili e reversibili.
Il ciclo di massimo rendimento: il ciclo di Carnot. La scala termodinamica assoluta della temperatura. Il rendimento del ciclo di Carnot. La macchina frigorifera e la pompa di calore operanti secondo un ciclo di Carnot inverso. La diseguglianza di Clausius. Definizione di entropia. L'entropia di un sistema isolato. Il bilancio di entropia di un sistema chiuso. Il bilancio di entropia di un sistema aperto.
Le principali trasformazioni termodinamiche: adiabatica, isoterma, isovolumica, isobara e politropica. Calcolo del lavoro continuo e del calore per le principali trasformazioni termodinamiche reversibili per i gas perfetti, per i vapori, per i solidi ed i liquidi.
La compressione e l’espansione politropica. Il rendimento isoentropico.
Proprietà dei fluidi
Le proprietà delle sostanze pure. Le fasi di una sostanza. Il punto triplo ed il punto critico. La fase aeriforme: l'equazione di stato dei gas perfetti. Le gas tables and i gas con calori specifici variabili con la temperatura. I gas reali e il fattore di compressibilità.
I vapori e le tabelle dei vapori saturi. I diagrammi di stato per trasformazioni con cambiamento di fase. I diagrammi di stato. Il diagramma p-v, T-S, I-S.
Determinazione dello stato fisico nel caso di vapori, gas, liquidi e solidi.
Fluidodinamica di base
L’equazione di Bernoulli generalizzata, richiami dell’equazioni di continuità, della conservazione dell’energia e della quantità di moto. Moto isoentropico in condotti a sezione variabile: trattazione di Hugoniot. Il diffusore, l’iniettore e l’ugello. La velocità del suono e il numero di Mach. Moto isoentropico per gas perfetti all’interno di ugelli. Stima delle proprietà termodinamica nella sezione critica. Comportamento di un ugello di De Laval.
Il moto nei condotti a velocità moderata. Le perdite di carico nei condotti: lineari and concentrate.
Il moto turbolento e il moto laminare, il caso dei condotti e la trattazione di Poiseuille. Il fattore di attrito e la sua determinazione attraverso la trattazione adimensionale (Numero di Reynolds e rugosità relativa). Il diagramma di Moody e Rouse.
I processi ciclici per le macchine termiche
I processi ciclici. L'uso del ciclo di Carnot come ciclo comparativo. I cicli ad aria di motori a combustione interna di tipo alternativo: il ciclo Otto. Calcolo del rendimento.
Il Ciclo Diesel. Calcolo del rendimento termodinamico e confronti con il ciclo Otto. Il ciclo Sabathè.
Il ciclo Brayton come ciclo ideale per i cicli con turbine a gas. Metodi per aumentare il rendimento di un ciclo Brayton: la rigenerazione di calore, la compressione e l’espansione frazionata. Effetti delle irreversibilità. I cicli dei motori a reazione.
Il ciclo di Carnot nei vapori saturi. Il ciclo di Rankine: calcolo del rendimento ed utilizzo sia del diagramma che delle tabelle. Il ciclo di Hirn di base, con spillamento e con surriscaldamento.
Le macchine frigorifere e le pompe di calore. Il ciclo di Carnot inverso, il Brayton inverso, il ciclo Joule umido e asciutto: calcolo del COP.
Trasmissione del calore
I tre modi di trasmissione del calore: Il postulato di Fourier, l'equazione di Newton e l'equazione di Sthephan Boltzmann. L'equazione di Fourier-Kirchoff.
L'equazione per la parete piana in regime stazionario. La conducibilità termica. L'analogia elettrica, la resistenza elettrica e le reti elettriche equivalenti. La parete piana con generazione interna di calore. Sistemi in transitorio. Il metodo a parametri concentrati.
Meccanismo fisico della convezione. Il caso della parete piana. Lo strato limite dinamico e quello termico. Il moto turbolento e quello laminare. I gruppi adimensionali per la convezione forzata: il numero di Reynolds, il numero di Prandtl, il numero di Nusselt, il numero di Graetz. Alcune correlazioni sperimentali per la parete piana e per il flusso interno ai condotti. La convezione naturale. Il numero di Grashoft e quello di Rayleigh.
Il corpo nero. Il potere emissivo monocromatico del corpo nero. La legge di Wien e quella di Stephan-Boltzmann. I corpi reali e i corpi grigi. L'emissività. Comportamento di un corpo alla radiazione incidente. I coefficienti di assorbimento, trasmissione e riflessione. La legge di Kirchoff. La potenza termica scambiata tra due corpi neri. Il fattore di vista e il teorema di reciprocità. Lo scambio termico tra corpi grigi e le reti resistive equivalenti.
Thermodynamic of the systems
Definition of a thermodynamic system. The thermodynamic state and its definition. The main characterising parameters and their measurement units. The intensive parameters (pressure, temperature, specific volume and density) and the extensive parameters (mass and volume). The concept of the thermodynamic “reversible” process. The definition of heat and heat transfer. The Zeroth law of the Thermodynamic. The specific heat for different substances. The concept of work. The boundary work and the flow process work.
The first law of thermodynamic. The internal energy and the enthalpy. The energy and mass balances applied to a control volume. Examples of energy balance of several basic thermal machines: compressors, turbines, pumps and heat exchangers. Definition of thermal engine, refrigerator and heat pump. The cyclic processes. The second law of thermodynamic. The Kelvin and Clausius statements. The engine efficiency definition for the thermal engines and the coefficient of performances (COP) for refrigerators and heat pumps. Reversible and irreversible processes.
The most efficient heat engine: the Carnot engine. The thermodynamic temperature. The Clausius inequality and the Carnot’s engine efficiency. Definition of entropy. The entropy supplied to isolated systems. Entropy balance of a control volume and a closed system.
The main thermodynamic processes: adiabatic, isothermal, isobaric and isovolumetric processes. The polytropic process. Evaluation of work and heat rates during the main thermodynamic reversible processes for ideal gases, saturated and superheated vapours, solids and liquids. The polytropic compression and expansion. The isentropic efficiency.
Fluid properties
The pure substance thermodynamic properties. The different phases of a substance: liquid, solid and gas. The critical and the triple point. The gas state: the ideal gases equation. Gas tables and gas with specific heat chancing with the temperature. The compressibility factor and the ideal gas deviation.
Saturated vapours and the saturated vapour tables. The thermodynamic diagrams: p-v, T-S and h-S.
Definition of the thermodynamic state in case of liquid, solid, saturated vapour, superheated vapour and gas (ideal or real): examples.
Basic Fluid Dynamics
The Bernoulli principle and equation with the dissipation terms included, mass and energy balance equations. The momentum equation. Hugoniot equation. The diffuser, the injector and the nozzle. The sound speed definition and the Mach number.
Isentropic processes of compressible fluids (ideal gases) in a ducts with a changing cross section. Evaluation of pressure and temperature at the critical cross-section. The De Laval nozzle behaviour.
The duct flow at low velocity (incompressible o weakly compressible fluids). The pressure drops: frictional drops in straight pipes or in fittings and valves. Turbulent and laminar duct flow. The Poiseuille equation for laminar flow. The friction factor evaluation with a non-dimensional technique (Reynolds number and relative roughness). The Moody-Roose diagram.
Thermodynamic cycles for thermal machines
The direct and reversed cycles: The thermodynamic cycles in T-S diagram: graphical evaluation of heat and work. The equivalent Carnot cycle as comparative technique. The hot air engines. The internal combustion engines: The Otto cyles. Thermodynamic efficiency evaluation. The Diesel cycle and its thermodynamic efficiency. Comparison between Otto and Diesel cycles. The Sabathè cycle.
The Brayton cycle. Techniques to increase the thermodynamic efficiency of a Brayton engine: Brayton engine with heat recuperator, multi-staged compressors and turbines. Effect of irreversibility. The turbojet and turbofan engines.
The Carnot steam cycle. The Rankine cycle: thermodynamic efficiency and technical scheme. The Hirn cycle (Rankine with superheated vapours). The Rankine cycle with multiple reheats and the regenerative cycle.
The refrigerators and heat pumps cycles. The reversed Carnot cycle. The reversed Bayton cycle and the reversed Stirling cycle. The vapour-compression refrigerators. Coefficient of performance (COP) evaluation for the different cycles.
Heat Transfer
Heat transfer modes: conduction, convection and radiation. The basic heat transfer equations: the Fourier’s law, the Newton’s law of cooling and the Stephan-Boltzmann law. The heat diffusion equation. The thermal conductivity and the electrical analogy: thermal resistance and the overall heat transfer coefficient. Solutions of the heat diffusion equation: the steady-state one-dimensional wall with or without internal heat generation. The heat conduction in cylinders: the critical radius. Fin and Fin performance. Transient heat transfer: the lumped capacitance method.
Basic concepts of convection and description of the main physical mechanisms, the flow over a flat plate. The velocity and temperature boundary layer with laminar and turbulent flow.
Dimensionless parameters for forced convection: the Reynolds number, the Prandtl number and the Nusselt number. The free convection: the Grashoft and Rayleigh numbers.
The blackbody model. The blackbody emissive power. The Wien and Stephan-Boltzmann laws. The radiation properties of bodies. The total radiation properties. The monochromatic radiation properties and Kirchoff’s law. Emittance, reflectance, absorptance and transmittance. Real surface characteristics, the grey body. The radiation shape factor and its algebra. The total heat power transferred among blackbodies and grey bodies. The radiation resistances and the radiative resistance network.
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Orale
Oral examination
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Istruzioni ed informazioni per Student stranieri Erasmus.
Il docente è disponibile a fornire materiale didattico, ricevimenti e supporto sia in lingua italiana che in lingua inglese.
Le lezioni sono in lingua italiana, tuttavia il docente è disponibile a fornire approfondimenti in lingua inglese ancne durante le lezioni ordinarie se richieste dallo studente.
Le modalità di esame per gli studenti Erasmus saranno concordate con lo studente stesso. Nonostante che l'esame sia orale, il docente è disponibile a preparare un test a risposta multipla che sarà svolto dallo studente e commentato insieme al professore durante l'esame stesso.
Instructions for the Erasmus Incoming Students
The Teacher can provide teaching material, individual teaching speech and other educational support both in litalian and in english.
All the academc lessons are in Italian. The teacher can provide clarifications and further insigh of the topic in english even during the standard lessons if the attending student needs od them.
Assessment Modes: The assessment modes for the Erasmus Student can be agreed with the teacher. Although the assessment is oral, the teacher is available to prepare a written test with multiple choices for the student coming from another institutition. The answers givne by the student will be orally discussed at the end of the test.
