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.

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.

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

• 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.

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.

http://www.den.unipi.it/paolo.dimarco/eps/docuidx.htm