ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| FISICA TECNICA | ING-IND/10 | LEZIONI | 60 |
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Lo studente avrà acquisito conoscenze sui concetti di termodinamica applicata, fluidodinamica e trasmissione del calore e sui relativi metodi analitici e applicativi.
The student who successfully completes the course will acquire knowledge about applied thermodynamics, fluid dynamics and heat transfer mechanisms and about analytical and practical methods for calculating energy flows, process irreversibilities, fluid flows and heat transfer rates.
La verifica delle conoscenze sarà oggetto di valutazione durante l’esame orale tamite domande di teoria e la risoluzione di problemi.
During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material.
Lo studente sarà in grado di interpretare i fenomeni di termodinamica, fluidodinamica e scambio termico e applicarli a problemi ingegneristici.
The student who successfully completes the course will have the ability to understand concepts of thermodynamics, fluid dynamics and heat transfer and apply them to engineering problems.
Durante l’esame orale, lo studente dovrà individuare i metodi più corretti da utilizzare per risolvere i problemi di fisica tecnica proposti dal docente e discuterà le scelte fatte.
During the oral exam, the student should find the most suitable methods to be used for solving the proposed technical physics problems.
Lo studente acquisirà maggiore consapevolezza sulle problematiche di fisica tecnica e sulle relative applicazioni ingegneristiche. Egli avrà la capacità di schematizzare e risolvere problemi relativi alla termodinamica ed alla trasmissione del calore che potrà trovare nello svolgere la propria professione.
The student will acquire a higher awareness of technical physics issues and of their engineering applications.
Durante l’esame orale, si verificherà l’autonomia dello studente nella modellazione e nella risoluzione dei problemi proposti.
During the oral exam, the ability of the student to model and solve the proposed problems will be evaluated.
Conoscenze di analisi e fisica generale.
Knowledge of calculus and general physics.
Imparerà a interfacciare problemi di elettronica con problemi di trasmissione del calore per quanto riguarda ad. esempio il raffreddamento di componenti elettronici.
Definizioni di sistema, frontiera e ambiente. Funzioni di stato e loro proprietà. Funzioni di linea. Ipotesi del continuo. Definizione di densità locale. Sistemi chiusi e sistemi isolati, in regime stazionario e in regime transitorio. Trasformazioni quasi-statiche. Lavoro e convenzione sui segni in termodinamica applicata. Lavoro di variazione di volume. Lavoro di pulsione. Lavoro netto.
Proprietà termometriche. Equazione di stato dei gas perfetti per un volume finito ed equazione locale. Zero assoluto e scala kelvin della temperatura. Calcolo della pressione di un gas perfetto in funzione della velocità delle molecole. Energia interna ed espressione per gas monoatomici e biatomici. Equilibrio termico e principio zero della termodinamica. Definizione di calore. Calore specifico a volume costante. Comprimibilità.
Portata. Bilancio di massa per sistemi aperti in regime non stazionario. Forze conservative ed energia potenziale. Circuitazione e flusso di un vettore. Operatori gradiente e rotore. Teorema di Stokes. Bilancio di energia per sistemi aperti in regime non stazionario. Enunciato del primo principio della termodinamica per una trasformazione ciclica. Calcolo del lavoro di pulsione per un sistema aperto. Definizione di entalpia ed espressione per un gas perfetto. Calore specifico a pressione costante. Relazione di Mayer. Espressione del bilancio di energia con lavoro netto ed entalpia.
Secondo principio della termodinamica. Enunciato di Clausius. Enunciato di Kelvin-Planck. Rendimento di un ciclo diretto. Coefficiente di prestazione di una pompa di calore e di una macchina frigorifera. Teorema e corollari di Carnot. Ciclo diretto di Carnot e calcolo del massimo rendimento. Ciclo inverso di Carnot e calcolo del massimo coefficiente di prestazione. Disuguaglianza di Clausius. Definizione di entropia. Entropia generata. Bilancio di entropia per sistemi aperti in condizioni non stazionarie. Relazioni di Gibbs. Equazione di una trasformazione isoentropica in un gas perfetto. Dimostrazione del primo corollario di Carnot. Dimostrazione che il rendimento del ciclo di Carnot è maggiore di quello di un ciclo che scambia con 3 sorgenti. Dimostrazione dell'uguaglianza di Clausius per cicli reversibili. Dimostrazione della disuguaglianza di Clausius per cicli irreversibili.
Le trasformazioni dei gas perfetti nei piani termodinamici p-v e T-s. Confronto tra compressione isoterma, isoentropica e isocora in termini di lavoro netto speso. Compressione interrefrigerata e pressione intermedia ottimale. Compressore adiabatico irreversibile e rendimento isoentropico di compressione. Confronto tra espansione isoterma e isoentropica in termini di lavoro netto ottenuto. Espansione in due stadi con surriscaldamento intermedio. Turbina adiabatica irreversibile e rendimento isoentropico di espansione.
Concetto di intorno e stato morto. Calcolo del lavoro disponibile. Legge di Gouy-Stodola. Definizione della funzione di stato disponibilità. Bilancio di disponibilità per un sistema chiuso. Definizione della funzione di stato exergia. Bilancio di disponibilità per un sistema aperto. Calcolo dell'entropia generata da irreversibilità esterne in un ciclo di Carnot internamente reversibile, ma con sorgenti a temperatura diversa dalle isoterme. Rendimento di secondo principio per macchine a ciclo diretto e a ciclo inverso.
Esperienza di Joule-Thomson. Diagrammi di stato per una sostanza pura: diagramma p-T e p-v (Clapeyron). Definizione di vapore saturo, liquido sottoraffreddato, vapore surriscaldato, punto triplo, punto critico.
Definizione di titolo di vapore X, regola della leva per il titolo e tabelle dei vapori saturi. Diagramma I-S (Mollier), traslazione delle isobare sull’I-S, diagramma p-I in scala lineare e logaritmica.
Ciclo turbina a vapore (Rankine e Hirn), ideale e reale, rappresentazione del ciclo nei diagrammi T-s, p-v, I-s. Definizione di “limite austenitico”. Metodi per aumentare il rendimento del ciclo Hirn: risurriscaldamento e tecnica dello spillamento di vapore e suoi vantaggi. Definizione di temperatura media di scambio superiore e inferiore.
Ciclo turbina a gas e ciclo di riferimento Joule-Brayton. Calcolo e semplificazione del rendimento del ciclo Joule-Brayton. Definizione di rapporto di compressione. Metodi per massimizzare il rendimento del ciclo Joule-Brayton. Tecnica della rigenerazione nel ciclo Joule-Brayton. Tecnica del frazionamento per cicli Joule-Brayton.
Rappresentazione del ciclo frigorifero nei diagrammi T-s, I-s (ideale e reale), p-I. Cenni della tecnica di dimensionamento di una macchina frigorifera e di come definire la temperatura del condensatore e dell’evaporatore. Doppio ciclo frigorifero con collettore separatore e vantaggi rispetto al ciclo standard. Metodi per prolungare la durata di un frigorifero. Dimensionamento della macchina frigorifera nel caso di ciclo standard e doppio ciclo. Introduzione ai cicli criogenici. Ciclo Gifford-McMahon e rappresentazione del ciclo di riferimento nel diagramma T-s.
Ciclo ad acqua a compressione statica, introduzione ai cicli diretti a combustione interna. Ciclo a benzina: funzionamento e ciclo di riferimento (ciclo Otto). Rappresentazione del ciclo nel diagramma dell’indicatore e rappresentazione del ciclo di riferimento nei diagrammi di stato p-v e T-s. Definizione di PMS e PMI. Calcoo del rendimento del ciclo Otto in funzione del rapporto di compressione. Ciclo a gasolio e ciclo di riferimento (ciclo Diesel). Differenze tra ciclo Diesel e ciclo Otto. Calcolo del rendimento del ciclo Diesel.
Trasmissione del calore per irraggiamento. Convezione naturale e forzata, definizione di “strato limite” e “bordo d’attacco” e cenni sul profilo di velocità e temperatura nello strato limite. Definizione di coefficiente di convezione h e legge di Newton della convezione termica e analogia elettrica con la legge di Ohm. Trasmissione del calore per conduzione. Postulato di Fourier e dimostrazione dell'equazione di Fourier. Distribuzione della temperatura in pareti cilindriche con e senza "generazione" di calore per effetto Joule.
Scambiatori: tipologie. Primo principio per uno scambiatore adiabatico. Definizione di scambiatore controcorrente e vantaggi rispetto all’equicorrente. Utilizzo da metodo a parametri concentrati per la risoluzione di scambiatori a flussi separati equicorrente e controcorrente.
Panoramica delle metodologie per l'aumento del flusso termico scambiato al fine di miniaturizzare i componenti elettronici: uso di fluidi dielettrici, getti eultrasuoni.
Thermodynamic states and variables.
Mass, energy, entropy and availability balances for closed and open systems.
Direct and inverse machines. Ideal cycles (Carnot).
Brayton cycle. Rankine-Hirn cycle. Otto cycle. Diesel cycle.
Heat pumps and chillers.
Heat transfer mechanisms: thermal radiation, heat conduction, convection.
Heat exchangers.
Moran, Shapiro, Munson & DeWitt, Elementi di Fisica Tecnica per l’Ingegneria, McGraw-Hill.
Çengel, Termodinamica e Trasmissione del Calore, McGraw-Hill.
Mattarolo & Cavallini, Termodinamica applicata, CLEUP.
Moran & Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Wiley.
Çengel & Cimbala, Fluid Mechanics: Fundamental and Applications.
Esame orale finale.
Final oral exam.
