Fisica Tecnica

Il corso ha la finalità di fornire conoscenze di termodinamica, negli aspetti teorici fondamentali e nelle applicazioni ai principali componenti impiantistici, ai cicli termodinamici diretti ed inversi e agli impianti di climatizzazione dell’aria. 

Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

- applicare i bilanci di massa, energia ed entropia a sistemi chiusi e aperti;

- analizzare e valutare l’efficienza dei cicli termodinamici diretti ed inversi;

- dimensionare impianti e componenti termotecnici di base (scambiatori, trattamenti aria, cicli frigoriferi);

TERMODINAMICA APPLICATA

1. NOZIONI FONDAMENTALI DI TERMODINAMICA

La termodinamica e l’energia; la trasmissione del calore; le unità di misura del S.I. Il sistema termodinamico; massa di controllo e volume di controllo; le variabili di stato; l’equilibrio termodinamico; il postulato di stato o regola di Gibbs; il principio zero della termodinamica; definizione di pressione, volume e temperatura; trasformazioni e cicli termodinamici.

2. GRANDEZZE DI STATO E GRANDEZZE DI SCAMBIO

L’energia: energia interna, cinetica e potenziale; lo scambio di energia al contorno del sistema: calore e lavoro.

3. COMPORTAMENTO TERMODINAMICO DELLE SOSTANZE PURE

I cambiamenti di stato; i vapori saturi ed i diagrammi di rappresentazione; le tabelle dei vapori saturi. Il modello del gas perfetto ed altre equazioni di stato. Il comportamento dei gas reali.

4. BILANCI DI MASSA ED ENERGIA E PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Bilancio energetico dei sistemi chiusi; il lavoro di variazione di volume; calori specifici a pressione costante e a volume costante. L’analisi termodinamica dei volumi di controllo ed i processi a flusso stazionario; definizione di entalpia; lavoro nei sistemi con deflusso. Il primo principio della termodinamica per i sistemi chiusi e per i sistemi aperti; i principali dispositivi a flusso stazionario.

5. SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA E DEFINIZIONE DI ENTROPIA

Definizione di motori termici e macchine frigorifere; enunciati del secondo principio della termodinamica. Il ciclo di Carnot diretto ed inverso; i teoremi di Carnot; la scala termodinamica di temperatura;  irreversibilità; definizione di entropia. Diagrammi dell’entropia; equazioni dell’entropia per i gas ideali e per i liquidi ed i solidi; il bilancio di entropia per sistemi aperti e chiusi.

6. COMPONENTI TECNOLOGICI DEI SISTEMI TERMODINAMICI

I componenti tecnologici degli impianti; il rendimento isoentropico dei componenti termodinamici; analisi e caratterizzazione dei componenti mediante bilanci di energia ed entropia.

7. CICLI DIRETTI A GAS (AD ARIA STANDARD)

Il ciclo di Carnot a gas; i cicli diretti a gas: il ciclo Brayton-Joule endoreversibile, l’effetto delle irreversibilità, la rigenerazione nel ciclo Brayton-Joule; cenni su altre evoluzioni ed applicazioni aeronautiche; cenni sul Ciclo Otto, Diesel e Sabathé.

8. CICLI DIRETTI A VAPORE

Il ciclo di Carnot a vapore; il ciclo Rankine endoreversibile; il ciclo Rankine con surriscaldamento; limiti tecnologici degli impianti motori a vapore; l’effetto delle irreversibilità; la rigenerazione nel ciclo Rankine; la cogenerazione e gli impianti combinati.

9. CICLI INVERSI A COMPRESSIONE DI VAPORE

I cicli inversi; le macchine frigorifere e le pompe di calore; i cicli inversi a compressione di vapore; l’effetto delle irreversibilità.

10. PSICROMETRIA E TRATTAMENTI DELL’ARIA UMIDA

Le miscele di gas ideali e reali; l’aria umida; definizione delle variabili termodinamiche e dei diagrammi usati in psicrometria; principali trasformazioni ed impianti termotecnici per i trattamenti dell’aria umida.

TRASMISSIONE DEL CALORE: Si rimanda al Syllabus del Prof. Pagano.

G. CESINI, G. LATINI, F. POLONARA, FISICA TECNICA, CITTÀ STUDI EDIZIONI

Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL

M. J. MORAN, H.N. SHAPIRO, B.R. MUNSON, D.P. DE WITT – ELEMENTI DI FISICA TECNICA PER L’INGEGNERIA -MCGRAW-HILL

L'esame consta di due parti: uno scritto ed un orale. All'orale si è ammessi previo superamento della prova scritta. Sia lo scritto sia l'orale mirano a verificare la capacità dell'allievo di discutere ed argomentare gli aspetti teorici della materia e di risolvere i problemi pratici e/o progettuali. Lo scritto è strutturato in domande teoriche, formulate in maniera da consentire una risposta sintetica, ed in problemi pratici di calcolo e/o progettuali di componenti e sistemi termodinamici.

Sussistendo le condizioni per lo svolgimento in presenza delle attività didattiche, saranno proposte due prove in itinere agli studenti che abbiano raggiunto per l'anno accademico corrente almeno il 70% delle presenze. Le prove si svolgeranno al termine delle lezioni di termodinamica applicata e di trasmissione del calore (in questo caso fare riferimento al Syllabus del Prof. Pagano). Il superamento delle due prove è equiparato al superamento della prova scritta dell’esame, purchè la prova orale venga sostenuta entro il medesimo anno accademico. Le prove in itinere non si terranno nel caso di svolgimento a distanza delle attività didattiche del corso.

Si adotteranno i seguenti criteri di valutazione: correttezza e completezza dei contenuti (elencati nella sezione "programma del corso"), chiarezza e rigore logico nell'esposizione, capacità di applicare i principi a casi pratici, padronanza dei teoremi e dimostrazioni richieste (queste ultime elencate nella sezione "esempi di domande frequenti").

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti iscritti al CInAP possono concordare con il docenteeventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersianche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del DIEEI(proff. Antonella Di Stefano e Arturo Pagano)

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ALCUNI ESEMPI

di domande ed esercizi frequenti sono riportati di seguito:

- Analisi termodinamica di sistemi chiusi e dei principali dispositivi a flusso stazionario con bilanci di primo e secondo principio(domanda/esercizio)

- Analisi termodinamica delle trasformazioni del ciclo Hirn con bilanci di primo e secondo principio e rendimento. Stessavalutazione per ipotesi di risurriscaldamento e rigenerazione (domanda/esercizio)

- Analisi termodinamica delle trasformazioni dei cicli a gas con bilanci di primo e secondo principio erendimento (domanda/esercizio)

- Analisi termodinamica delle trasformazioni dei cicli inversi delle macchine frigorifere e pompe di calore, con bilanci di primo esecondo principio e rendimento (domanda/esercizio)

- Analisi delle trasformazioni psicrometriche per impianti di riscaldamento o raffreddamento, umidificazione edeumidificazione (domanda/esercizio)

- Analisi dello scambio termico conduttivo e convettivo in pareti multistrato, superfici cilindriche o sferiche (domanda/esercizio)

- Analisi dello scambio termico per irraggiamento (domanda/esercizio)

- Dimensionamento degli scambiatori di calore secondo i metodi della differenza media logaritmica ed eps-NTU (domanda/esercizio)

Gli esempi qui elencati rappresentano domande frequenti sia per lo svolgimento dello scritto e dell'orale. Si precisa, altresì, chealtre eventuali domande e/o esercizi saranno comunque strettamente inerenti agli argomenti affrontati in aula e presenti inquesto Syllabus.

Teoremi di cui è richiesta la dimostrazione in sede di esame orale:

- Espressione dei calori specifici in funzione di proprietà termodinamiche

- Equivalenza degli enunciati di Clausius e di Kelvin-Planck

- Teoremi di Carnot

- La scala termodinamica di temperatura

- Diseguaglianza di Clausius

- Dimostrazione del metodo eps-NTU per il dimensionamento degli scambiatori di calore

- Soluzione generale dell'equazione differenziale nel caso di alette a sezione traversale costante e con conducibilità termica costante