lezioni: 64 esercitazioni:32 laboratori: 10
PRESENTAZIONEDEL CORSO
Ilcorso costituisce il naturale collegamento tra gli argomenti trattati nei corsi di Fisica del bien-nio ed i corsi successivi del trienbien-nio (in particolare Macchine, Meccanica dei fluidi e magneto-fluido d inamica).
Il corsosi propone di:
• ap pro fond ire tutti fondamenti della termodinamica di base, di formulare le equazioni di stato che descrivono il comportamento dei fluidi più utilizzati nelle applicazioni ingegneri-stiche e di analizzarne alcune applicazioni nei sistemi e nelle macchine.
• distud iare le modalità di scambio termico ed i dispositivi che ne consentono la realizzazio-need il controllo;
• di stud iare le leggi fondamentali della termofluidodinamica elementare ed alcune semplici applicaz ioni.
Sono propedeutici i corsi di Analisi e di Fisica.
PROGRAM M A
Tennodinamica- Richiamo sui concetti generali(6ore)
Definizionedi sistema e di contorno e sue proprietà. Sistemi chiusi; Sistemi aperti o con deflus-so.Sistemaisolato. Stato di equilibrio; Definizione di equilibrio termodinamico. Sistemi chimi-camentee fisicamente omogenei. Proprietà di un sistema, coordinate termodinamiche e mecca-niche.Grandezze di stato: Intensive ed estensive - Funzione di stato.
Processi termodinamici e grandezze di scambio(2ore)
Equilibrio Termico - Principio zero - Temperatura. Corpo termometrico. Termometro a gas.
Scala internazionale pratica di temperatura. Regola delle fasi. Equazione di stato. Processo e trasformazionetermodinamica - Grandezze di scambio: Calore e lavoro. Processi diretti ed inversi.Processi ciclici.
Potenza e Lavoro nei sistemi chiusi(2ore)
Potenzae lavoro di espansione di un fluido. Lavoro e potenza generalizzati. Lavoro esterno, tra-sform az ione quasistatica. Concetto di reversibilità. Teorema delle forze vive ed equazione di con-servazione dell'energia o della potenza meccanica. Lavoro con deflusso. Lavoro di spostamento.
Primo principio della Termodinamica(4ore)
Formulazionegenerale. Formulazione per una trasformazione generica. Energia interna e sue proprietà. Energia totale.Estensione del primo principio ai sistemi con deflusso. Derivazione dell'equazionedi conservazione dell'energia meccanica.Entalpia e sue proprietà. Definizione dicalore massico (o specifico) generalizzato. Casi particolari. Gas ideale: Equazione di stato di
un gas. Energia interna ed Entalpia per un gas ideale.Calori specifici.Cenni sulla teoria cinetica dei gas. Equazione di stato. Principio di equipartizione dell'energia ed i calori specifici dei gas.
Processi per i gas ideali.
Secondo Principio della Termodinamica(8ore)
Enunciati secondo Clausius, Kelvin e Plank. Concetto di irreversibilità dei processi. Concetto di macchina termica e di efficienza - Macchine motrici ed operatrici. Macchina di Carnot e suo rendimento termodinamico-Limitazioni e Fattore di Carnet, Temperatura e scala termodinami-ca, equazione di Carnot-Clapayron e funzione entropia, Unità di misura.Conversioni energeti-che e teorema dell'energia utilizzabile. Exergia e rendimento exergetico.
Gas reali(4ore)
Fattore di comprimibilità. Equazione degli stati corrispondenti.Equazione di Van der Waals.
Espansione isoentalpica e coefficiente di [oule -Thomson. Cambiamenti di fase, vapori.
Diagrammi di stato del va por d'acqua.
Cicli termodinamici(6ore)
Trasformazioni nei digrammi di Clapayron, Cibbs, Mollier. Cicli diretti a gas (Otto, Diesel, [oule), calcolo dei rendimenti. Cicli inversi a gas (Ioule), calcolo del COP e dell'efficienza frigo-rigena. Cicli diretti a vapore (Hirn, Rankine). Cicli inversi a compressione di vapore.Cenni ai cicli criogenici e ad assorbimento. Concetto di rigenerazione termica. Cicli rigenerativi a gas (Stirling ed Ericsson). Cicli rigenerativi a vapore.
Miscele di aria e vapore(2ore)
Miscele di gas -Leggi fondamentali - Applicazione all'aria umida. Parametri termodinamici del-l'aria umida e loro relazioni. Diagrammi di Mollier deldel-l'aria umida.
Conversione diretta dell'energia(2ore)
Fenomeni termoelettrici nei solidi. Relazioni di Kelvin. Cenni sulle celle a combustibile e su' dispositivi termoionici. Cenni sui generatori magnetoidrodinamici.
LABORATORI E/O ESERCITAZIONI Esercitazioni
1. Unità di misura - Sistema internazionale -Sisterna Tecnico-Sistema Anglosassone(2 ore) 2. Esercizi di calcolo sulle trasformazioni termodinamiche (2 ore)
3. Esercizi applicativi sul I Principio per i sistemi chiusi (2 ore) 4. Esercizi applicativi sul I Principio per i sistemi aperti (2 ore) 5. Esercizi applicativi sul II Principio per i sistemi chiusi (2 ore) 6. Esercizi applicativi sul II Principio per i sistemi aperti (2 ore)
7. Applicazione del teorema dell'energia utilizzabile alle trasformazione ed ai cicli ( 2 ore) 8. Calcolo dei capisaldi di un ciclo a gas con rigenerazione e del suo rendimento (2 ore) 9. Calcolo dei capisaldi di un ciclo a vapore con spillamenti e del suo rendimento (2 ore) Laboratorio
1. Misura dell'equivalente meccanico del caloria 2. Misure di temperatura e velocità
3. Bilancio energetico su un impianto per la produzione di aria calda con scambiatore acqua aria e generatore di calore elettrico.
4. Misure dei capisaldi termodinamici di un ciclo frigorifero e bilanci termici relativi
BIBLIOGRAFIA
Appunti delle lezioni e materiale didattico distribuito durante il Corso.
M.V. ZEMA SKY, M. M. ABBOT, H.C. VA NESS,Fondamenti di Termodinamica per lngegner Zanichelli, Bologna, 1983.
A.CAVALLI I -L.MATTAROLO,TermodinamicaApplicata,Cleup Editore, Padova.
A.BEJA ,Advanced Engineering Thermodunamics,Wiley, 1988.
K. WARK [r,Advanced Thermodvnamics for Engineers,McGraw-Ill,Inc,1995.
P .GREGORIO,Esercizi di Fisica Tecnica,Ed. Levrotto & Bella, Torino.1995.
VALUTAZI ONE E/O ESAME
Al termine del primo emisemestreèpossibile una valutazione scritta sui contenuti del modulo A consisten te nella soluzione di esercizie nello sviluppo di quesititeorici .. In caso di esito favo-revole icontenuti del modulo A non saran no più oggetto di verifica alla fine del semes tre.
Questa valutazioneparzialeèpossibile soltan to in questa occasione:lostu d ente che non la uti-lizzaononlasu pera dovrà sottoporsi all'e samecomplessiv o.
MODULO B: MOTO DEI FLUIDI E TRASMISSIONE DEL CALORE
EM ISEM ESTR E: SECONDO
Impegno (ore) lezioni: 28
Crediti:4
esercitazioni:14 laboratori: 6
REQUISI TI
Sono propedeutici i corsi di Analisi e di Fisica.
PROGRAM MA
Cenni di fluidodinamica(6ore)
Fenome ni di trasporto dell'energia, della quantità di moto e della massa.Equazioni di conser-vazione in forma locale. Equazione di continuità. Equazione del moto. Equazione dell'energia meccanica. Equazione dell'energia totale.Applicazione al moto dei fluidi nei condotti. Velocità del suo no . Efflusso in parete sottile.
Regimi di moto e misure di portata(2ore)
Cenniai problemi di interazione fluido parete. Attrito.Regime di moto laminare e turbolento.
Perdite di carico. Misure di portata nei condotti. Apparecchi a contrazione di corrente, rota me-tri etubo di Pitot.
Trasmissione del calore - Conduzione(5ore)
Cond uz ione stazionaria nei solidi, legge di Fourier, caso piano e cilindrico.Conduzionenon sta-zionariaper i solidi a conduttività infinita.Conduzionenon stazionariain lastrapiana infinita.
Trasmissionedel calore - Convezione(5ore)
Convezione naturale e forzata, coefficiente di scambio termico parete fluido.Analisi dimensio-nale.Analogia di Reynolds.Formule empiriche più usate nel
casodeicondotti.
Trasmissionedel calore - Irraggiamento(4ore)
Irragg iam ento. Definizioni e Leggi fondamentali. Il corpo nero.Le leggi di Kirchoff. I corpi reali.Fattore di forma. Scambio di energia tra corpi neri e grigi. Teoria delle reti elettriche equi-valenti. Linearizzazione.
Dispositividi scambio termico(6ore)
Scambio termico liminare e globale.Analogia elettrica e resistenzatermica. Sistemi a superfici estese .Aletta piana e cilidrica.Efficienza dell'aletta e dellasu perficie alettata. Scambiatori di calore in linea e a correnti incrociate. Coefficiente globale discambio e calcolo della superficie di scambio. Scambiatoria passaggi multipli. Prestazionedi unoscambiatore. Teoria del numero di unità di trasferimento ( UT).
LABORA TO RI O E/O ESERCITAZIONI Esercitazioni
1. Eserciz i di fluidodinamica, regime di moto ecalcolo delle portateedelle perdite di carico (4 ore)
2. Esercizi sulla trasmissione del calore per conduzione in regimestazionario (2 ore)
3. Esercizi sulla trasmissione del calore per conduzione con generazione interna (2ore) 4. Esercizi sulla trasmissione del calore in regime stazionario (2 ore)
5. Esercizi sullatrasmissione del calore per convezione (Calcolo dei coefficienti di scambio, delle temperature e dei flussi) (2 ore)
6. Esercizi sugliscambiatori di calore, calcolo della temperatura media logaritmica,del coeffi-ciente globale e della superficie di scambio.Applicazione della teoria dei NUT (2ore) 7. Esercizi sull'irraggiamento tra corpi neri e corpi grigi con applicazione del metododellereti
equivalenti.(2 ore) Laboratorio
1. Bilancio termico e di massa su uno scambiatore di calore acqua - acqua e calcolodel coeffi-ciente globale di scambio
2. Bilancio termico e di massa su uno scambiatore di calore aria aria e calcolo del coefficiente globale di scambio
3. Misura della conduttività termica di un materiale isolante
BIBLIOGRAFIA
Appunti delle lezioni e materiale didattico distribuito durante il Corso.
C.BOFFA, P.GRGORlO,Elementidi Fisica Tecnica Vol.2,Ed. Levrotto & Bella, Torino.
C. BONACINA, A. CAVALLINI, L.MATTAROLO, Trasmissione del Calore, Cleup Editore, Padova.
F,KREITH,Principidi Trasmissione del Calore, Liguori Editore, Napoli, 1974.
P.GREGORIO,Esercizi di Fisica Tecnica, Ed.Levrotto & Bella, Torino, 1995.
ESAME
Un esame tradizionale costituito da prova scritta e da un colloquio orale conclude il corso.Per coloro che hanno superato la valuatazione scritta relativa al modulo A, l'esame verterà soltanto sui contenuti teorico/ pratici del modulo B ed il voto finale risulterà dalla media pesata sui rispettivi numeri di crediti dei voti dei due moduli. Per coloro che non hanno superato la valu-tazione del modulo A (o che non hanno ritenuto di sfruttarne la possibilità) l'esame finale sarà unico.