FISICA TECNICA E IMPIANTI

Obiettivi del Corso

 Il corso di Fisica Tecnica e Impianti costituisce una delle cerniere fondamentali nella preparazione delle studentesse e degli studenti di ingegneria in quanto fornisce l’opportunità di dare applicazione tecnica alle conoscenze di base acquisite nei corsi di Chimica, Fisica , Analisi Matematica etc.

Verranno approfondite e rinforzate le conoscenze sulle principali grandezze fisiche che intervengono nei processi di scambio di energia in termini di lavoro e calore.

Studentesse e studenti avranno l’opportunità, partendo da un rigoroso approccio metodologico fisico-matematico, di  applicare ai sistemi termodinamici i bilanci energetici ed entropici

 Verranno acquisite le conoscenze necessarie per lo studio dei principali cicli termodinamici, diretti ed inversi, degli scambi di calore nelle diverse forme, determinazione della proprietà termofisiche dell'involucro edilizio, dei principali trattamenti dell’aria negli impianti di climatizzazione.

 Gli obiettivi di apprendimento attesi sono:

 DD1: Conoscenze e Comprensione

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 del loro utilizzo nelle  applicazioni tecniche con particolare attenzione all’ambito dell’ingegneria civile.

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di comprendere i concetti fondamentali delle trasformazioni termodinamiche utilizzando modelli e metodologie appropriate.

Valutare i principali elementi che determinano l’efficienza delle trasformazioni energetiche,

Comprensione delle applicazioni tecniche studiate e le loro applicazioni nel campo del risparmio energetico, del  benessere degli utenti e della sostenibilità ambientale

 DD2: Capacità di Giudizio

Gli studenti svilupperanno la capacità di valutare criticamente dati e soluzioni tecnologiche per

prendere decisioni basate sulle conoscenza e capacità di analisi degli scambi di calore e lavoro

Saranno in grado di valutare  i compromessi economici e ambientali associati alle diverse opzioni di di efficienza energetica, uso razionale dell’energia e ottimizzazione delle trasformazioni energetiche   e di risparmio energetico.

 DD3: Competenze di Apprendimento

Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di identificare e analizzare i principali fattori che influenzano il rapporto tra le diverse forme di domanda di energia e le soluzioni tecniche più appropriate che possono essere proposte. 

Applicare il pensiero critico e le capacità di risoluzione dei problemi per affrontare le sempre complesse esigenze delle comunità e dei singoli utenti.

Condurre ricerche e analisi indipendenti per supportare decisioni informate.

 DD4: Competenze Comunicative

Gli studenti saranno in grado di comunicare efficacemente le proprie conoscenze, sia in forma scritta

che orale, utilizzando in maniera corretta la nomenclatura e la terminologia tecnica.

Capacità di presentare i risultati di una esercitazione in maniera chiara e conciso, 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

• 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 argoemnto/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-Bryton. 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) conduzione : Il postulato di Fourier. Il bilancio energetico in regime stazionario nel caso a simmetria piana. La lastra piana; le pareti piane multistrato . 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: laminare, turbolento 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. Cenni di analisi adimensionale.

Correlazioni adimensionali sperimentali per la convezione termica forzata per scambio termico esterno di superfici ed interno ai condotti. Scambi termici per flusso termico costante e temperature superficiale costante. Cenni sugli scambiatori di calore . Equazioni costitutive per la convezione naturale. Ipotesi di Boussinesque. 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 il periodo didattico, esclusivamente per gli studenti e le studentesse frequentanti il Corso, saranno svolte delle prove in itinere con fini di autovalutazione /valutazione. Gli studenti e le studentesse che conseguiranno una valutazione media positiva saranno esonerati dl sostenere l’esame scritto

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