Anno:periodo 3:1 Lezioni,esercitazioni,laborator i:4+4(ore settimanali) Docente:Giuseppe Ruscica
Il corso costituisce il naturale collegamento tra gli argomenti trattati nei corsi di Fisica del biennio ed i corsi successivi del triennio (in particolareMacchine, Fisica dei fluidi e magnetofluidodinamica),
Il corsosi proponedi:
-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 applicazioninei sistemi e nelle macchine.
-di studiare le modalità di scambio termico ed i dispositiviche ne consentono la realizzazione ed ilcontrollo;
- distudiare le leggi fondamentali della termofluidodinamica elementare ed alcune semplici applicazioni.
REQUISITI
Sono propedeutici i corsi di Analisi1e 11e di Fisica1e 11.
PROGRAMMA
Termodinamica - Concetti generali e nomenclatura [2 ore]
Definizione di sistema e di contorno e sue proprietà. Grandezze primitive e derivate di un sistema. Definizione di corpo semplice omogeneo. Proprietà di un sistema e coordinate termodinamiche.Stato di equilibrio. Equazioni costitutive. Sistemi mono e multi componente, sistemi eterogenei.Legge di Gibbs.Processo e.trasformazione. Definizione di azione calore e lavoro.Processi inversi, reversibili. Processi ciclici.
Temperatura,lavoroecalore [2 ore]
Equilibrio Termico. Principio zero. Temperatura. Potenza e lavoro. Unità di misura.
Definizione di potenza e di lavoro esterno. Lavorointerno,lavoro lineare e d'attrito. Potenza,Lavoropericorpi omogenei [4 ore]
Potenza e lavoro termodinamico.Potenza motrice e lavoromotore o "tecnico".
Lavoro e potenza generalizzati. Equazione di conservazione dell'energia e della potenza meccanica.Calcolo del lavoro scambiato in un ciclo.
Flusso termico ecalore pericorpi omogenei [2 ore]
Concetto di calore e di flusso termico e unità di misura. Espressioni generali del flusso termico nelle variabili (V,T) e (P,T).Calore latente rispetto al volume e rispetto alla pressione. Capacità termica a pressione e a volume costante. Calcolo del calore scambiato in un ciclo.
Applicazioni al caso del gas ideale.Equazione dell'adiabatica. Primoprincipio della Termodinamica [4 ore]
Formulazione per una trasformazione ciclica.Formulazione per una trasformazione generica.
Energia interna, sue proprietà e unitàdi misura.Definizionedi Entalpia,sue proprietà ed unità di misura. Estensione del I Principio ai sistemi aperti. Relazione generale tra le capacità termiche. Applicazione ai gas ideali.
SecondoPrincipiodella Termodinamica[8 ore]
Concetto di irreversibilitàdeiprocessi.Enunciati secondo Clausius,Kelvin ePlank.Concetto di macchina termica e di efficienza.Macchine motricied operatrici. MacchinadiCamot esuo rendimento termodinamico. Limitazioni. Dipendenza del rendimento dalle temperature.
Fattore di Camot, Temperatura e scala termodinamica.·Equazione di Camot-Clapeyron e funzione entropia. Unità di misura. Conversioni energetiche e teorem a dell'energia utilizzabile.Exergiae rendiment o exergetico.
Gasreali[4 ore]
Proprietàdei gas reali ,equazionicostitutive. Principiodegli stati corrispondenti.Espansione isoentalpica e coefficiente di Joule -Thomson. Cambiamenti di fase, vapori. Diagrammi di stato delvapor d'acqua.
Cicli termodinamici[6 ore]
Trasformazioni nei digrammi di Clapayron ,Gibbs,Mollier. Ciclidiretti a gas (Otto, Diesel, Joule).Calcolo dei rendimenti.Cicli inversi a gas (Joule),calcolo del COP e dell'efficienza frigorigena. Cicli a vapore (Him, Rankine). Concetto di rigenerazione termica. Cicli rigenerativi a gas (Stirling ed Ericsson).Cicli rigenerativia vapore.
Misceledi aria e vapore [4 ore]
Miscele di gas. Leggi fondamentali. Applicazione all'aria umida. Parametri termodinamici dell'ariaumida e loro relazioni.Diagrammi di Mollier dell'ariaumida.
Conversione diretta dell'energia [2 ore]
Fenomeni termoelettricinei solidi.Relazioni di Kelvin.Cenni sulle celle a combustibile e sui dispositivitermoionici. Cenni sui generatori magnetoidrod inamici.
Cennidi fluidodinamica[6 ore]
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. Velocitàdel suono.Efflusso in parete sottile.
Regimidi motoemisuredi portata [2 ore]
Cenni ai problemi di interazione fluido parete.Attrito. Regime di moto laminaree turbolento.
Perdite di carico. Misure di portata nei condotti. Apparecchi a contrazione di corrente, rotametri e tubo di Pitot.
Trasmissi onedelcalore - Conduzion e[4 ore]
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 infinita.
Trasmissionedelcalore - Convezion e[4 ore]
Convezione naturale e forzata,'coefficiente di scambio termico parete fluido. Analisi dimensionale.Analogia di Reynolds.Formule empiriche più usate nel caso dei condotti. Trasmissione del calore-Irraggiamento [4 ore]
Irraggiamento.Definizioni e Leggi fondamentali,Il corpo nero.Le leggi di Kirchoff.
l corpi reali. Fattore diforma. Scambio di energia tra corpi neri e grigi. Teoria delle reti
elettriche equiva lenti.Linearizzazione. .
Dispositivi di scambiotermico [6 ore]
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 caloreinlinea e a correnti incrociate.Coefficiente globale di scambioe calcolo della superficie di scambio.Scambiatori a passaggi multipli. Prestazione di uno scambiatore.
Teoria del numero di unità di trasferimento (NUT).
ESERCITAZIONI
l. Proprietà diun termometro - corpo tennometrico e caratteristica-Temperatura empirica-Costruzione dellascala empirica. Termometro a gas [2 ore]
2. Unità di misura - Sistema internazionale -Sistema Tecnico-Sistema Anglosassone [2 ore]
3. Esercizi di calcolo sulle trasformazionitennodinamiche [2 ore]
4. Esercizi di calcolosul lavorogeneralizzato [2ore]
5. Esercizi applicativi sul IOPrincipio per i sistemi chiusi [2 ore]
6. Esercizi applicativisul IO Principioperisistemi aperti [4 ore]
7. Esercizi applicativi sul 20 Principio per i sistemi chiusi [4 ore]
8. Esercizi applicativisul20 Principio perisistemi aperti [4 ore]
9. Applicazione del teorema dell'energiautilizzabile alle trasformazione ed ai cicli [2ore]
IO.Calcolo dei capisaldi di un ciclo a gas con rigenerazione e del suo rendimento [2ore]
II.Calcolo deicapisaldi diun ciclo a vapore con spillamentie del suo rendimento [2ore]
12.Esercizi di fluidodinamica,regime di moto e calcolo delle portate e delle perdite di carico [2ore]
13.Esercizi sulla trasmissione del calore (Calcolo dei coefficienti di scambio, delle temperature e dei flussi)[2 ore]
14.Esercizi sugli scambiatori di calore, calcolo della temperatura medialogaritrnica, del coefficiente globale e della superficie di scambio.
15.Applicazione della teoria dei NUT [2 ore]
16.Esercizi sull'irraggiamento tra corpi neri e corpi grigi con applicazione del metodo delle reti equivalenti [2 ore]
LABORATORlO
1. Esecuzione di calcoli di bilancio di massa e di energia sui componenti dell'unità di condizionamento didattica. [4 ore]
2. Misure dei capisaldi tennodinamici di un ciclo frigorifero e bilanci termici relativi [2 ore]
3. Misure di portata con flange tarate e tubo di Pitot [2 ore]
BIBLIOGRAFIA
Appunti delle lezioni e materiale didattico distribuito durante il Corso.
C.Boffa - P.Gregorio,Elementi di fisica tecnica,vol.2, Ed. Levrotto& Bella, Torino. Mark W.Zemansky,Calore e Termodinamica,Ed. Zanichelli, Bologna.
M.W.Zemansky- M.M.Abbott- H.C.VanNess,Fondamenti di Termodinamica per Ingegneri Vol.Je2,Ed. Zanichelli, Bologna.
P.Gregorio,Esercizi di Fisica Tecnica,Ed. Levrotto& Bella, Torino.
ESAME
Gli argomenti di esame corrispondono a tutto il programma svolto compresi quelli affrontati nelle esercitazioni in aula e di misura in laboratorio.L'esame consta di due parti:una,scritta ed una orale.Allo scritto viene richiesta la soluzione di alcuni esercizi del genere di quelli svolti ad esercitazione.Il risultato dello scritto è determinante per l'ammissione all'esame orale. Il voto finale è basato su un giudizio complessivo sia sull'attività svolta durante l'anno sia sui risultati delle due prove.