Anno:periodo3:1 Lezioni,esercitazioni ,laboratori:4+4(ore settimanali);++6(nell'intero periodo) Docente:Giuseppe Ruscica
Il corso costituisceil naturale collegamento tra gli argomenti trattati nei corsi di fisica del biennio ed icorsi successivi del triennio (in particolare Macchine). Il corso si pro-pone di:
approfondire tutti i fondamenti della termodinarnica di base,di formulare le equa-zioni distato che descrivono il comportamento dei fluidi più utilizzati nelle appli-cazioni ingegneristiche e di analizzarne alcune applicazioni nei sistemi e nelle macchine;
- studiare le modalità di scambio termico ed i dispositiviche ne consentono la realiz-zazioneed il controllo;
- studiare le leggi fondamentalidella termofluidodinamica elementare ed alcune
sempliciapplicazioni. .
PROGRAMMA
J. Termodinamica. Concettigenerali e nomenclatura. [4ore]
Definizione di sistemae di contorno e sue proprietà. Grandezzeprimitiveederivatedi un sistema. Definizione di corpo semplice omogeneo. Proprietà di un sistema e coor-dinate termodinarniche. Stato di equilibrio. Equazionicostitutive. Sistemimono- e multicomponente,sistemi eterogenei. Leggedi Gibbs. Processo e trasformazione.
Definizionedi azione calore e lavoro. Processi inversi, reversibili. Processi ciclici.
2. Temperatura, lavoro ecalore. [4ore] .
Equilibrio termico. Principio zero. Temperatura. Potenza e lavoro. Unità di misura.
Definizione dipotenza e di lavoro esterno. Lavorointerno,lavoro lineare e d'attrito..
3. Potenza,lavoro per i corpi omogenei. [4ore]
Potenza e lavoro termodinarnico. Potenza motrice e lavoromotore o"tecnico". Lavoro e potenzageneralizzati. Equazionedi conservazione dell'energiao della potenza mec-canica. Calcolo dellavoro scambiato in un ciclo. '
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4. Flusso termico e calore pericorpi omogenei. [4ore]
Concetto di calore e di flusso termico. Unità di misura. Espressioni generali del flusso termico nelle variabili (V,
n
e(P,n.
Calore latente rispetto al volume e rispetto alla pressione. Capacità termica a pressione e a volume costante. Calcolo del calore scam-biato in un ciclo. Applicazioni al caso del gas ideale. Equazione dell'adiabatica.5. Primo principio della termodinamica. [4ore] .
;Formulazione per una trasformazione ciclica. Formulazione per una trasformazione generica. Energia interna. Energia interna e sue proprietà. Definizione di entalpia. estensione del I Principioaisistemi aperti. Entalpia e sue proprietà. Relazione genera-le tra genera-le capacità termiche. Applicazioneaigas ideali.
6. Secondo principio della termodinamica. [lOore]
Concetto di irreversibilità dei processi . Enunciati secondo Clausius, Kelvin e Plank.
Concetto di macchina termica e di efficienza. Macchine motrici ed operatrici. Macchi-na di Camot e suo rendimento terrnodiMacchi-namico. Limitazioni. Dipendenza del rendimen-to dalle temperature e non dal fluido. Fatrendimen-tore di Camot. Temperatura e scala termodi-namica. Equazione di Clausius-Clapeyron e funzione entropia,unità di misura. Defi-nizione della funzione di accumulo e formulazione generale del II Principio. Conver-sioni energetiche e teorema dell'energia utilizzabile.
7. Gas reali. [4ore]
Proprietà dei gas reali, equazioni costitutive. Equazione degli stati corrispondenti.
Espansione isoentalpica e coefficiente di Joule-Thomson. Cambiamenti di fase,vapori.
Diagrammi di stato del vapor d'acqua.
8. Cicli termodinamici. [6ore]
Trasformazioni nei digrammi di Clapeyron,Gibbs,Mollier. Cicli diretti a gas (Otto, Diesel,Joule), calcolo dei rendimenti. Cicli inversi a gas (Joule),calcolo del COP e dell'efficienzafrigorigena. Cicli a vapore (Hirn,Rankine). Concetto di rigenerazione termica. Cicli rigenerativi a gas (StirlingedEricsson). Cicli rigenerativi a vapore.
9. Miscele di aria e vapore. [2ore]
Miscele di gas. Leggi fondamentali. Applicazione all'aria umida. Parametri termodi-namici dell'aria umida e loro relazioni. Diagrammi di Mollier dell'aria umida.
lO. Conversione diretta dell'energia. [2ore]
Fenomeni termoelettrici nei solidi. Relazioni di Kelvin. Cenni sulle celle a combustibi-le e sui dispositivi termoionici. Cenni sui generatori magnetoidrodinamici.
11.Cenni dijluidodinamica. [IOore]
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.
12. Regimi di moto e misure di portata. [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.
38 Corsidilaurea,Torino
13.Trasmissionedelcalore:condu zione. [4ore]
Conduzione stazionaria nei solidi,legge di Fourier,casopiano e cilindrico. Conduzio-ne non stazionaria per i solidi a conduttività infinita. ConduzioConduzio-ne non stazionaria in lastrapiana infinita.
14.Trasmissione delcalore:convezione. [2 ore]
Convezione naturale e forzata,coefficientedi scambio termico parete-fluido. Analisi dimensionale. Analogia di Reynolds. Formule empiriche più usate nel casodei con-dotti.
15.Trasmissionedel calore: irraggiamento. [2 ore]
Irraggiamento; definizioni e leggi fondamentali.' Il corpo nero; le leggi di Kirchhoff. I corpi reali. Fattore di forma. Scambio di energia tra corpi neri e grigi. Teoria delle reti elettriche equivalenti. Linearizzazione.
16.Dispositividi scambio termico. [6ore]
Scambio termico liminare e globale. Analogia elettrica,resistenza termica. Sistemi a superfici estese. Aletta piana e cilindrica. Efficienza dell'aletta e della superficie alet-tata. Scambiatori di calore in linea e a correnti incrociate. Coefficiente globale di scambio e calcolo della superficie di scambio. Scambiatori a passaggi multipli. Pre-stazione di uno scambiatore. Teoria del numero di unità di trasferimento (NUT). ESERCITAZIONI
Proprietà di un termometro; corpo termometrico e caratteristica. Temperatura empirica.
Costruzione della scala empirica. Termometro a gas. [2ore]
Unità di misura. Sistema internazionale. Sistema tecnico. Sistema anglosassone. [2 ore]
Esercizi di calcolo sulle trasformazioni termodinamiche. [2 ore]
Esercizi di calcolo sul lavoro generalizzato. [2 ore]
Esercizi applicativi sul I Principio per i sistemi chiusi. [2ore]
Esercizi applicativi sul I Principio per i sistemi aperti. [4 ore]
Esercizi applicativi sul II Principio per i sistemi chiusi. [4ore]
Esercizi applicativi sul II Principio per i sistemi aperti. [4 ore]
Applicazione del teorema dell'energia utilizzabile alle trasformazioneedai cicli. [2 ore]
Calcolo dei capisaldi di un ciclo a gas con rigenerazione e del suo rendimento. [2 ore)
Calcolo deicapisaldi di un ciclo a vapore con spillamenti e del suo rendimento. [2ore]
Esercizi di fluidodinamica, regime di moto e calcolo delle portate e delle perdite.di carico. [2ore]
Esercizi sulla trasmissione del calore (calcolo dei coefficienti di scambio, delle
tempe-rature e dei flussi). [2 ore] .
Esercizi sugli scambiatori di calore,calcolo della temperatura media logaritrnica,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. [2ore]
LABORATORIO
Esecuzione di calcoli di bilancio di massa e di energia sui componenti dell'unitàdi condizionamento didattica. [4ore]
Misure dei capisaldi termodinamici di un ciclo frigorifero e bilanci termici relativi.
[2ore]
Misure di portata con flange tarate e tubo di Pitot.
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BIBLIOGRAFIA
Appunti delle lezioni e materiale didattico distribuito durante il corso.
C. Boffa,P.Gregorio,Elementi di fisica tecnica.VoI. 2,LevrottoécBella,Torino.
MarkW.Zemansky,Calore e termodinamica,ZanicheIIi, Bologna.
Maerk W.Zemansky,M.M.Abbott,H.C.Van Ness,Fondamenti di termodinamicaper ingegneri.VoI. l e 2,ZanicheIIi,Bologna.
P.Gregorio,Esercizidi fisica tecnica,Levrotto&Bella,Torino.
ESAME
Gli argomenti di esame corrispondono a tutto ilprogramma svolto ,compresi quelli affrontati nelle esercitazioni in aula e di misura in laboratorio.
L'esamesi svolgein due fasi scritte:la prima di esonero,nella settimana precedente Natale,riguarda solo gli argomenti di termodinamica e consiste nella soluzione nume-rica di'due problemi simili a queIIiaffrontati nelle esercitazioni e nella trattazione esau-riente e completa di tre domande di teoria. La seconda,nelle date di appello,riguarda solo gli argomenti di fluidodinamica e di trasmissione del calore e consiste nella solu-zione numerica di due problemi simili a quelli affrontati nelle esercitazioni e nella trat-tazione esauriente e completa di tre domande di teoria. Le due prove si svolgono nelle aule che di volta in volta verranno indicate nella bacheca didattica del Dipartimento,il tempo previstoper ogni provaè di tre ore.
La valutazione di ogni singola provaè positiva se l'allievo dimostra di conoscere esau-rientemente almeno due argomenti di teoria e risolve correttamente almeno un
eserci-rio. .
Ilvoto finaleè basato su un giudizio complessivo, sia sull'attività svolta durante l'anno, siasui risultati delle due prove.