Il corso costituisceilnaturale collegamento tra gli argomenti trattati nei corsi di Fisica del biennio ed i corsi successivi del triennio (in particolare Macchine, Meccanica dei fluidi e magneto-fluidodinamica).
Il corso si propone di:
- approfondire tutti fondamenti della termodinamica di base, di formulare le equazioni di stato che descrivono il comportamento dei fluidi più utilizzati nelle applicazioni ingegneristiche e di analizzarne alcune applicazioni nei sistemi e nelle macchine;
- di studiare le modalità di scambio termico ed i dispositivi che ne consentono la rea-lizzazione edilcontrollo;
- di studiare le leggi fondamentali della termofluidodinamica elementare ed alcune semplici applicazioni.
Prerequisiti
Sono propedeutici i corsi di Analisi e di Fisica.
Programma
Termodinamica - Richiamo sui concetti generali(6ore)
Definizione di sistema e di contorno e sue proprietà. Sistemi chiusi; Sistemi aperti o con deflusso. Sistema isolato. Stato di equilibrio; DefInizione di equilibrio termodinami-co. Sistemi chimicamentee fIsicamente omogenei. Proprietà di un sistema, coordinate termodinamiche e meccaniche. Grandezze di stato: Intensive ed estensive. Funzione di stato.
Processitermodinamiciegrandezzedi 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 trasformazione termodinamica - Grandezze di scambio: Calore e lavoro.
Processi diretti ed inversi. Processi ciclici. Potenza e Lavoro nei sistemi chiusi (2 ore) Potenza e lavoro di espansione di un fluido. Lavoro e potenza generalizzati. Lavoro esterno, trasformazione quasi statica. Concetto di reversibilità. Te o rema delle forze vive ed equazione di conservazione dell'energia o della potenza meccanica. Lavoro con deflusso. Lavoro di spostamento.
Primo principio della Termodinamica(4ore)
Formulazione generale. Formulazione per una trasformazione generica. Energia interna e sue proprietà. Energia totale. Estensione del primo principio ai sistemi con deflusso. Derivazione dell'equazione di conservazione dell'energia meccanica.
Entalpia e sue proprietà. Definizione di calore· 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 Tennodinamica(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 Carnot, Temperatura e scala termodinamica, equazione di Carnot-Clapayron e funzione entro-pia, Unità di misura. Conversioni energetiche e teorema dell'energia utilizzabile.
Exergia e rendimento exergetico.
Gasreali(4ore)
Fattore di comprimibilità. Equazione degli stati corrispondenti. Equazione di Van der Waals. Espansione isoentalpica e coefficiente di Joule -Thomson. Cambiamenti di fase, vapori. Diagrammi di stato del vapor d'acqua.
Cicli termodinamici(6ore)
Trasformazioni nei digrammi di Clapayron, Gibbs, Mollier. Cicli diretti a gas (Otto, Diesel, Joule), calcolo dei rendimenti. Cicli inversi a gas (Joule), calcolo del COP e del-l'efficienza frigorigena. Cicli diretti a vapore (Hirn, Rankine). Cicli inversi a compressio-ne di vapore. Cenniaicicli criogenici e ad assorbimento. Concetto di rigenerazione ter-mica. Cicli rigenerativi a gas (Stirling ed Ericsson). Cicli rigenerativi a vapore.
Miscelediariaevapore(2ore)
Miscele di gas -Leggi fondamentali - Applicazione all'aria umida. Parametri termodina-mici dell'aria umida e loro relazioni. Diagrammi di Mollier dell'aria umida.
Conversione diretta dell'energia(2ore)
Fenomeni termoe1ettrici nei solidi. Relazioni di Kelvin. Cenni sulle celle a combustibile e sui dispositivi termoionici. Cenni sui generatori magnetoidrodinamici.
Cenni dijluidodinamica(6ore)
Fenomeni di trasporto dell'energia, della quantità di moto e della massa. Equazioni di conservazione 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 suono. Efflusso in parete sottile.
Regimidimotoemisurediportata(2ore)
Cenniaiproblemi di interazione fluido parete. Attrito. Regime di moto laminare e tur-bolento. Perdite di carico. Misure di portata nei condotti. Apparecchi a contrazione di corrente, rotametri e tubo di Pitot.
Trasmissione del calore - Conduzione(5ore)
Conduzione stazionaria nei solidi, legge di Fourier, caso piano e cilindrico. Conduzione non stazionaria per i solidi a conduttività infinita. Conduzione non stazionaria in lastra piana infmita.
Trasmissione del calore - Convezione(5ore)
Convezione naturale e forzata, coefficiente di scambio termico parete fluido. Analisi dimensionale. Analogia di Reynolds. Formule empiriche più usate nel caso dei con-dotti.
Trasmissione del calore - Irraggiamento(4ore)
Irraggiamento. Defmizioni 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 equivalenti. Linearizzazione.
Dispositivi di scambiotermico(6ore)
Scambio termico liminare e globale. Analogia elettrica e resistenza termica. Sistemi a superfici estese. Aletta piana e cilidrica. Efficienza dell'aletta e della superficie alettata.
Scambiatori di calore in linea e a correnti incrociate. Coefficiente globale di scambio e calcolo della superficie di scambio. Scambiatori a passaggi multipli. Prestazione di uno scambiatore. Teoria del numero di unità di trasferimento (NUT).
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Laboratori elo esercitazioni
EsercitazioniUnità di misura - Sistema internazionale - Sistema Tecnico - Sistema Anglosassone(2 ore) Esercizi di calcolo sulle trasformazioni termodinamiche (2 ore)
Esercizi applicativi sul I Principio per i sistemi chiusi (2 ore) Esercizi applicativi sul I Principio per i sistemi aperti (2 ore) Esercizi applicativi sul II Principio per i sistemi chiusi (2 ore) Esercizi applicativi sul II Principio per i sistemi aperti (2 ore)
Applicazione del teorema dell'energia utilizzabile alle trasformazione ed ai cicli (2 ore) Calcolo dei capisaldi di un ciclo a gas con rigenerazione e del suo rendimento (2 ore) Calcolo dei capisaldi di un ciclo a vapore con spillamenti e del suo rendimento (2 ore) Esercizi di fluidodinamica, regime di moto e calcolo delle portate e delle perdite di cari-co (4 ore)
Esercizi sulla trasmissione del calore per conduzione in regime stazionario (2 ore) Esercizi sulla trasmissione del calore per conduzione con generazione interna (2 ore) Esercizi sulla trasmissione del calore in regime stazionario (2 ore)
Esercizi sulla trasmissione del calore per convezione (Calcolo dei coefficienti di scam-bio, delle temperature e dei flussi) (2 ore)
Esercizi sugli scambiatori di calore, calcolo della temperatura media logaritmica, del coefficiente globale e della superficie di scambio. Applicazione della teoria dei NUT (2 ore)
Esercizi sull'irraggiamento tra corpi neri e corpi grigi con applicazione del metodo delle reti equivalenti. (2 ore)
Laboratorio
Misura dell'equivalente meccanico del caloria Misure di temperatura e velocità
Bilancio energetico su un impianto per la produzione di aria calda con scambiatore acqua - aria e generatore di calore elettrico.
Misure dei capisaldi termodinamici di un ciclo frigorifero e bilanci termici relativi Bilancio termico e di massa su uno scambiatore di calore acqua - acqua e calcolo del coefficiente globale di scambio
Bilancio termico e di massa su uno scambiatore di calore aria aria e calcolo del coeffi-ciente globale di scambio Misura della conduttività termica di un materiale isolante
Bibliografia
Appunti delle lezioni e materiale didattico distribuito durante il Corso.
M.V. ZEMANSKY, M. M. ABBOT, H.C. VAN NESS, Fondamenti di Termodinamica per Ingegneri,
Zanichelli, Bologna, 1983.
A. CAVALLINI -L. MATTAROLO, Termodinamica Applicata, Cleup Editore, Padova.
A. BEJAN, Advanced Engineering Thermodynamics, Wiley, 1988.
K.WARK Jr, Advanced Thermodynamics far Engineers, McGraw-Ill, Inc. 1995.
P. GREGORIO, Esercizi di Fisica Tecnica, Ed. Levrotto&Bella, Torino. 1995.
C. BOFFA, P. GRGORIO, Elementi di Fisica Tecnica Vo1.2, Ed. Levrotto& Bella, Torino.
C. BONACINA, A. CAVALLINI, L. MATTAROLO, Trasmissione del Calore, Cleup Editore, Padova.
F. KREITH, Principi di Trasmissione del Calore, Liguori Editore, Napoli, 1974.
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Esame
Un esame tradizionale costituito da prova scritta e da un colloquio orale conclude il corso. Per coloro che hanno superato la valutazione scritta relativa al modulo A, l'esa-me verterà soltanto sui contenuti teorico/pratici del modulo B edil voto finale risul-terà dalla media pesata sui rispettivi numeri di crediti dei voti dei due moduli. Per coloro che non hanno superato la valutazione del modulo A (o che non hanno ritenuto di sfruttarne la possibilità) l'esame fmale sarà unico.
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