FISICA TECNICA E IMPIANTI

Obiettivi Formativi Generali

Il corso fornisce le conoscenze di base della termodinamica applicata, della trasmissione del calore e della tecnica degli impianti, fornendo una chiave di lettura interdisciplinare orientata sia alla progettazione edilizio-ambientale (civile) sia alla gestione e ottimizzazione dei flussi energetici (gestionale).

Verranno acquisite le conoscenze necessarie per lo studio dei principali cicli termodinamici, diretti e inversi, degli scambi di calore per conduzione, convezione e irradiazione, della determinazione delle proprietà termofisiche dell'involucro edilizio e dei principali trattamenti dell’aria negli impianti di climatizzazione

Gli argomenti trattati permettono di approfondire e consolidare le conoscenze di base acquisite nei corsi di Chimica, Fisica, Analisi Matematica, e di applicarle nei processi e nelle trasformazioni che richiedono energia nelle forme  di lavoro e calore 

Gli argomenti verranno presentati e trattati partendo da un rigoroso approccio metodologico fisico-matematico, al fine di poter applicare in ambito ingegneristico le analisi  dei flussi di energia e materia 

Gli obiettivi di apprendimento attesi sono: Conoscenze e Comprensione DD1: Comprensione dei principi fondamentali della termodinamica (Primo e Secondo Principio) e delle proprietà dei fluidi termodinamici e dell'aria umida (psicrometria). Conoscenza dei meccanismi di trasmissione del calore (conduzione, convenzione, irraggiamento) in regime stazionario e variabile. Conoscenza del funzionamento delle macchine termiche, frigorifere, delle pompe di calore e dei principali impianti di climatizzazione e produzione di energia Conoscenza della terminologia tecnica scientifica e delle grandezze chimico-fisiche più comuni, dei principi della termodinamica e della trasmissione del calore al fine di avere dimestichezza con il loro utilizzo nelle applicazioni tecniche con particolare attenzione all’ambito dell’ingegneria civile. Comprensione delle applicazioni tecniche studiate e le applicazioni nel campo del risparmio energetico, del benessere degli utenti e della sostenibilità ambientale

Capacità di Giudizio (DD2): Gli studenti svilupperanno la capacità di valutare criticamente dati e soluzioni tecnologiche per prendere decisioni basate sulle conoscenze e sulle capacità di analisi nella valutazione sia della quantità che della qualità delle forme di energia utilizzate nelle applicazioni ingegneristiche. Saranno in grado di valutare e confrontare diverse soluzioni di efficienza energetica, di uso razionale dell’energia, di ottimizzazione delle trasformazioni energetiche e di risparmio energetico. Competenze di Apprendimento (DD3): Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di identificare e analizzare i principali fattori che influenzano il rapporto tra la domanda di energia e le soluzioni tecniche/ più appropriate da proporre, anche in riferimento alle evoluzioni tecnologiche Applicare il pensiero critico e le capacità di risoluzione dei problemi per affrontare le complesse esigenze delle comunità e dei singoli utenti. Condurre ricerche e analisi indipendenti per supportare decisioni informate. Competenze Comunicative (DD4): Gli studenti saranno in grado di comunicare efficacemente le proprie conoscenze, sia in forma scritta che orale, utilizzando correttamente la nomenclatura e la terminologia tecnica. Capacità di presentare i risultati di un'esercitazione tecnica in maniera chiara e concisa, utilizzando grafici, equazioni, relazioni e/o altre rappresentazioni visive. Partecipare a discussioni sulle implicazioni ambientali, economiche e tecniche dell’utilizzo razionale dell’energia e dell’efficienza energetica Le conoscenze acquisite saranno spendibili nella progettazione e gestione di materiali e sistemi finalizzati ad un miglioramento della qualità della vita, in accordo con gli obiettivi 3, 7, 11, 12, 13, e 15 dell’Agenda 2030.

L'insegnamento prevede l'alternanza fra lezioni teoriche ed esercitazioni applicative sugli argomenti presentati in aula.

Per ciascuno degli argomenti trattati saranno proposte degli esercizi con lo scopo di raggiungere la capacità di applicare i concetti teorici a casi reali.

Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti Curriculari e Culturali

• Analisi Matematica: La padronanza del calcolo, dell’analisi matematica  è cruciale per modellare ed analizzare le trasformazioni termodinamiche e valutare le prestazioni dei sistemi energetici.
• Fisica e Chimica:  La conoscenza delle grandezze fisiche e delle loro relazioni è rilevante per comprendere i processi  coinvolti nei processi energetici e nelle tecnologie ad esse connesse

• Sensibilità Ambientale: Gli studenti dovrebbero avere una comprensione di base delle questioni ambientali e dell'importanza della sostenibilità.
• Pensiero Critico: La capacità di analizzare informazioni complesse, valutare i processi e trarre conclusioni informate è essenziale per studiare le problematiche legate all’efficienza energetica e l’uso razionale dell’energia.
• Perspettiva Interdisciplinare: Gli studenti dovrebbero essere aperti all'esplorazione di argomenti tipici dei differenti ambiti dell’ingegneria ( materiali e componenti, trasporti, idraulica, geotecnica ,economia)

La frequenza alle lezioni è obbligatoria in quanto coerente con il modello formativo proposto che mira a favorire l'apprendimento graduale, la partecipazione attiva dello studente in classe, il dialogo fra docenti e studenti. 

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

 A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

E' possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento.

L'insegnamento prevede lezioni frontali ed esercitazioni numeriche su ciascuna argomento/modulo del corso

FONDAMENTI DI TERMODINAMICA

a) Il sistema termodinamico
Sistema Internazionale (Tab.CNR-UNI 10003) - Sis.Tecnico e anglosassone. Definizioni e misurabilità dell’energia interna. Il calore come modalità di scambio energetico. Il primo principio della termodinamica in forma estesa.

b) Stati d’equilibrio.
Grandezze di stato fisico e di percorso. Grandezze intensive ed estensive. Dipendenza del lavoro e del calore dal tipo di trasformazione termodinamica. I postulati entropici. Proprietà della relazione fondamentale. Processi reversibili e irreversibili. Trasformazioni quasi statiche. Equazione di Gibbs.
Il secondo principio della termodinamica (enunciati di Clausius e Kelvin).

c) Il gas ideale
Equazioni di stato. Calori specifici a P e V costanti. Le trasformazioni a T, P, V costanti. La trasformazione adiabatica quasistatica. Entropia di un gas perfetto. Cenni sul comportamento dei gas reali.

d) I diagrammi di stato fisico
I diagrammi (p-T), (p-v), (T-s). Vapore d’acqua. Principali trasformazioni del vapore d’acqua.
Titolo di vapore. Il diagramma di MOLLIER (h-s) per il vapore d’acqua.

e) Cicli diretti e inversi
Processi e trasformazioni cicliche. Cicli diretti a vapore (Rankine e Hirn), turbine a gas e cicli Joule-Brayton. Cicli combinati, il ciclo frigorifero. Rendimenti isoentropici. Cicli frigoriferi ad assorbimento. Applicazioni impiantistiche e Pompe di calore

f) Le trasformazioni dell’aria umida.
Le grandezze fondamentali. Diagrammi psicrometrici. Temperatura di saturazione e temperatura di rugiada. Processi di riscaldamento, raffreddamento, umidificazione e deumidificazione, condizionamento estivo e invernale

TRASMISSIONE DEL CALORE E CENNI DI FLUIDODINAMICA

g) Trasmissione del calore per conduzione : 

Il postulato di Fourier. Il bilancio energetico in regime stazionario per simmetria piana. Le pareti piane multistrato . Profili di temperatura.  Metodo dell’analogia elettrica. Il bilancio energetico nel caso di simmetria cilindrica. Il tubo isolato. Analogia elettrica. Il raggio critico. La conduzione in regime variabile: i sistemi a parametri concentrati.

h) Cenni di fluidodinamica: 

Flussi interni ed esterni. Moto su lastra piana, il moto dei fluidi nei condotti. Numero di Reynolds. Regimi di moto: laminari, turbolenti e di transizione. Fattore d’attrito. Sforzo tangenziale. Coefficienti di viscosità dinamica e cinematica. Profili di velocità.

i) Convezione forzata  e naturale :

 Gruppi adimensionali per la convezione forzata e parametri di similitudine. Correlazioni adimensionali sperimentali per la convezione termica forzata per lo scambio termico esterno di superfici ed interno ai condotti. Scambi termici per flusso termico costante e temperatura superficiale costante. Cenni sugli scambiatori di calore . Equazioni costitutive della convezione naturale. Ipotesi di Boussinesq. Applicazioni per superfici esterne

l) Trasmissione del calore per irraggiamento
Potere emissivo. Irradiazione. Grandezze monocromatiche e complessive. Il corpo nero: leggi di Planck, Stefan-Boltzmann, Wien. I coefficienti d’assorbimento, riflessione, trasmissione ed emissione. Legge di Kirchhoff. Il corpo grigio. Scambio di calore fra corpi neri: il fattore di forma. Corpi grigi, radiosità, scambi di calore fra superfici grigie. Schermi antiradianti.

ENERGETICA E IMPIANTI TECNICI

Reti di distribuzione idroniche. Perdite di carico continue e localizzate. Pompe di circolazione.Trasmissione del calore attraverso l'involucro edilizio. Sfasamento ed attenuazione delle pareti. Coefficiente di trasmissione del calore per gli infissi. Proprietà dei vetri. Prestazioni delle pompe di calore per la climatizzazione degli edifici

“CONTRIBUTO DELL’INSEGNAMENTO AGLI

OBIETTIVI DELL’AGENDA 2030 PER LO SVILUPPO SOSTENIBILE”.

GOAL 3: Good health and well-being

GOAL 7: ENERGIA PULITA E ACCESSIBILE

GOAL 11: CITTÀ E COMUNITÀ SOSTENIBILI

GOAL 12: CONSUMO E PRODUZIONE RESPONSABILI

GOAL 13: LOTTA CONTRO IL CAMBIAMENTO CLIMATICO

TESTI CONSIGLIATI

• Termodinamica e trasmissione del calore Yunus A. Cengel, - McGraw-Hill
• Elementi di Fisica Tecnica per l’ingegneria Michael J. Moran et al. McGraw-Hill
• Fisica Tecnica  . G. Cesini, G. Latini, F. Polonara, Città Studi Edizioni
• La progettazione degli impianti di climatizzazione negli edifici –EPC Magrini Anna  -
• Dispense del Docente

L’esame si articola su due distinte prove: scritto e orale.

La prova scritta, della durata complessiva di due ore, ha lo scopo di verificare la capacità di utilizzare le principali leggi ed equazioni della termodinamica, cicli diretti ed inversi, della trasmissione del calore, termodinamica dell'aria umida per la risoluzione di esercizi avente come oggetto semplici casi applicativi.

Sono previste tre differenti tipologie di esercizi relative alla termodinamica (I e II principio) ed ai Cicli termodinamici (diretti ed inversi), trasmissione del calore (conduzione, convezione ed irraggiamento), Trasformazioni dell’aria umida ( climatizzazione estiva ed invernale).

Nel corso della prova scritta gli allievi possono utilizzare i sussidi didattici (e.g. libri, appunti, eserciziari)

Il colloquio orale, che viene di norma sostenuto in data successiva alla prova scritta, comunque all’interno della stessa sessione di esame, ha lo scopo di verificare le conoscenze teoriche e pratiche degli argomenti svolti durante il corso.

La valutazione dell'esame è basata sui seguenti criteri: livello di conoscenza degli argomenti discussi, utilizzo di terminologia adeguata e proprietà di linguaggio, capacità di applicare le conoscenze a semplici casi studio, capacità di interpretazione dei fenomeni e delle relazioni tra le grandezze fisiche

Prove                                               Percentuale sul  voto finale        Obiettivi di apprendimento attesi

Prove in itinere o Esame scritto                             40%                           DD1, DD2, DD3, DD4

Esame orale                                                           60%                             DD1, DD2, DD3, DD4

Durante l'anno accademico si terranno due prove intermedie con lo scopo di autovalutazione. Solo gli studenti che avranno frequentato almeno il 65% delle lezioni potranno sostenerle . Gli studenti che otterranno un voto positivo in entrambe le prove intermedie saranno esonerati dall'esame scritto. L'accesso diretto all'esame orale è limitato a coloro i quali sosteranno gli esami nella prima sessione di esami (giugno e luglio).

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere

FONDAMENTI DI TERMODINAMICA

• Primo principio della termodinamica in forma estesa. Dipendenza del lavoro e del calore dal tipo di trasformazione termodinamica. I postulati entropici.Processi reversibili e irreversibili. Trasformazioni quasi statiche. Equazione di Gibbs.
• Il secondo principio della termodinamica (enunciati di Clausius e Kelvin). Equazioni di stato. Calori specifici a P e V costanti. Le trasformazioni a T, P, V costanti.Entropia di un gas perfetto.
• I diagrammi (p-T), (p-v), (T-s). Principali trasformazioni del vapore d’acqua.
• Il diagramma di MOLLIER (h-s) per il vapore d’acqua. Processi e trasformazioni cicliche. Cicli diretti a vapore (Rankine e Hirn), Turbine a gas e cicli JouleBryton. Il ciclo frigorifero. Rendimenti isoentropici. Cicli frigoriferi ad assorbimento.

ARIA UMIDA

• Diagrammi psicrometrici per l’aria umida. Le trasformazioni dell’aria umida. Temperatura di saturazione e temperatura di rugiada. Condizionamento estivo e invernale

MOTO DEI FLUIDI

• Equazione di Bernoulli. Similitudine, analisi dimensionale e modellizazione. Flussi interni ed esterni. Il moto dei fluidi nei condotti.
• Regimi: laminare, turbolento e di transizione. Fattore d’attrito. Coefficienti di viscosità dinamica e cinematica. Profili di velocità.

TRASMISSIONE DEL CALORE

• Il postulato di Fourier. Il bilancio energetico in regime stazionario . La lastra piana; le pareti piane multistrato (con e senza generazione di potenza termica). Metodo dell’analogia elettrica. Il bilancio energetico nel caso di simmetria cilindrica. La conduzione in regime variabile: numero di Biot; metodo delle capacità concentrate.
• Gruppi adimensionali per la convezione forzata e parametri di similitudine. Gruppi adimensionali per la convezione naturale. Cenni all’analisi adimensionale.
• Correlazioni adimensionali sperimentali per la convezione termica forzata per le principali configurazioni di scambio termico all’esterno di superfici e all’interno di condotti.
• Equazioni costitutive per la convezione naturale. Ipotesi di Boussinesque.
• Trasmissione del calore per irraggiamento
• Potere emissivo. Irradiazione. Grandezze monocromatiche e complessive. Il corpo nero: leggi di
• Planck, Stefan-Boltzmann, Wien. I coefficienti d’assorbimento, riflessione, trasmissione ed emissione. Legge di Kirchhoff. Il corpo grigio. Scambio di calore fra corpi neri: il fattore di forma. Schermi antiradianti.

SISTEMI ENERGETICI

• Cenni di combustione. Generatori di calore. Reti di distribuzione idronica. Perdite di carico continue e localizzate. Abaco di Moody.
• Potenza di una macchina idraulica operatrice (pompa). Calcolo delle prevalenze manometrica e totale di una pompa. Terminali di emissione. Cenni sui Sistemi di regolazione