ID:
500155
Durata (ore):
78
CFU:
9
SSD:
FISICA TECNICA INDUSTRIALE
Anno:
2024
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (03/03/2025 - 13/06/2025)
Syllabus
Obiettivi Formativi
Il Corso intende fornire le basi tecniche necessarie alla comprensione e all'utilizzo dei principi fondamentali della termodinamica dei sistemi in equilibrio, dell’analisi energetica dei sistemi chiusi e fluenti, dello scambio termico, per applicarli, mediante esercitazioni, a componenti di impianti e sistemi energetici.
In particolare è previsto l’utilizzo delle equazioni fondamentali di conservazione della massa e dell’energia con particolare riferimento e esempi applicativi riguardanti i processi industriali e componentistica termo-idraulica.
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di risolvere problemi semplificati legati allo scambio di energia e massa, e di analizzare vari sistemi quali compressori, turbine, sistemi frigoriferi, pompe di calore, etc.
Inoltre lo studente avrà acquisito i concetti base che gli consentiranno di esaminare problemi inerenti lo scambio e il controllo termico, e la dissipazione di calore di sistemi reali terrestri e spaziali.
In particolare è previsto l’utilizzo delle equazioni fondamentali di conservazione della massa e dell’energia con particolare riferimento e esempi applicativi riguardanti i processi industriali e componentistica termo-idraulica.
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di risolvere problemi semplificati legati allo scambio di energia e massa, e di analizzare vari sistemi quali compressori, turbine, sistemi frigoriferi, pompe di calore, etc.
Inoltre lo studente avrà acquisito i concetti base che gli consentiranno di esaminare problemi inerenti lo scambio e il controllo termico, e la dissipazione di calore di sistemi reali terrestri e spaziali.
Prerequisiti
Conoscenze di base di strumenti matematici elementari, derivate (anche parziali) e integrali. Nozioni di fisica di base.
Metodi didattici
Lezioni
Esercitazioni
Esercitazioni
Verifica Apprendimento
Esame scritto finale (2h 30min) con esercizi su le sei parti del programma (peso: 100%, ovvero 80% del punteggio nel caso di consegna della tesina opzionale) nelle date degli appelli. Esame orale facoltativo.
Per gli studenti con problemi DSA si prega di contattare il docente per accordi sulla modalita' di esame. Ulteriori informazioni in https://saisd.unipv.it.
Tesina facoltativa su uno degli argomenti applicativi (peso del 20% sul punteggio complessivo in caso di consegna).
Esercizi d'esame risolti sono disponibili su piattaforma Kiro. L'accesso alle news è indicato nella pagina web del docente.
Per gli studenti con problemi DSA si prega di contattare il docente per accordi sulla modalita' di esame. Ulteriori informazioni in https://saisd.unipv.it.
Tesina facoltativa su uno degli argomenti applicativi (peso del 20% sul punteggio complessivo in caso di consegna).
Esercizi d'esame risolti sono disponibili su piattaforma Kiro. L'accesso alle news è indicato nella pagina web del docente.
Testi
1. G.E Cossali, S. Tonini, Lezioni di termofisica, Esculapio Editore, 2022, 304 p, EAN: 9788893853132
2. Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 9th Edition, ISBN: 978-1-119-39138-8 January 2018, 880 Pages, Wiley
3. Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 8th Edition, ISBN: 978-1-119-35388-1 December 2018, 992 Pages, Wiley
2. Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 9th Edition, ISBN: 978-1-119-39138-8 January 2018, 880 Pages, Wiley
3. Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 8th Edition, ISBN: 978-1-119-35388-1 December 2018, 992 Pages, Wiley
Contenuti
TERMODINAMICA DEI SISTEMI IN EQUILIBRIO
PARTE I
Introduzione
Le applicazioni termodinamiche: panoramica dei campi industriali in cui i concetti del corso possono essere applicati. Breve storia della termodinamica. Unità di misura.
Sistema, variabili e vincoli termodinamici
Definizione di un sistema termodinamico. Sistema omogeneo, eterogeneo, semplice, composto. Variabili intensive, estensive. Pareti e vincoli.
Equilibrio termodinamico
Trasformazioni quasistatiche. Il lavoro meccanico: compressione, espansione, estensione.
Primo principio della termodinamica
L’energia interna. Equilibrio termico. Il calore scambiato. Primo principio della termodinamica.
Gas ideali
Definizione di gas ideale, equazione di stato dei gas ideali. Calori specifici dei gas ideali. La relazione di Mayer. Le trasformazioni termodinamiche e la loro rappresentazione grafica. Cenni sui gas reali.
PARTE II
Secondo principio della termodinamica
Postulati della termodinamica. Definizione della funzione entropia. Trasformazioni reversibili. Equazioni di Gibbs. Espansione libera di un gas: esperienza di Joule.
Enunciati del secondo principio della termodinamica. Efficienza di Carnot. Temperatura assoluta.
Depositi quasi-statici di lavoro e calore.
Trasformazioni termodinamiche dei sistemi chiusi
Definizione della funzione di stato entalpia. Diagramma P-T, P-V. Trasformazione isobara. Trasformazione isoterma. Trasformazione adiabatica. Trasformazione isocora. Trasformazioni politropiche. Indice della politropica.
PARTE III
Le sostanze e le loro trasformazioni
Potenziali termodinamici, definizione e proprietà.
Derivazione entropica di calori specifici, coefficiente di comprimibilità isoterma ed espansione termica a pressione costante.
Proprieta' di una sostanza. Diagrammi Pv e PT delle fasi. Trasformazioni di fase. Linee di saturazione, punto critico e punto triplo. La regola delle fasi di Gibbs. Equazione di Clausius-Clapeyron. Il diagramma di Mollier. Tabelle del vapore. Miscelazione isobarica. Miscelazione isovolumica.
Sistemi fluenti
Sistemi aperti. Definizione del volume di controllo. Bilancio di massa. Portata massica di un flusso in un condotto. Bilancio energetico. Moto dei fluidi nei condotti: sforzo tangenziale e termine di degradazione energetica. Profilo di velocità: caso laminare e caso turbolento. Abaco di Moody. Perdite di carico: coefficiente di perdita per varie geometrie.
I dispositivi fluidodinamici
Turbina, compressore, pompa, valvola di laminazione. Effetti delle irreversibilità sull’efficienza di una macchina, rendimenti isoentropici.
PARTE IV
I cicli termodinamici
Cicli simmetrici: proprietà. Cicli ideali: Ciclo Otto e ciclo Diesel (cicli ideali). Ciclo Joule-Brayton. Ciclo Rankine a vapore. Introduzione ai cicli inversi. Ciclo frigorifero a vapore. Diagramma p-h. I refrigeranti.
Aria umida
Miscele di gas ideali. Entropia di miscelamento. Aria umida. Le grandezze fondamentali. Trasformazioni dell’aria umida: riscaldamento, raffreddamento, compressione.
Miscelazione di aria umida.
TRASMISSIONE DEL CALORE
PARTE V
Conduzione del calore
I fenomeni di trasporto del calore. Conduzione del calore: postulato di Fourier. Il bilancio energetico: equazione di Fourier. Conduzione in regime stazionario. Caso della lastra piana mono e multistrato (con e senza generazione). Conduzione stazionaria in geometria cilindrica e sferica. Similitudine elettrica. Conduzione in regime variabile. Lastra piana semi-infinita. Metodo a parametri concentrati.
Convezione
Legge di Newton. Coefficienti di convezione e resistenza termica complessiva. Calcolo dei coefficienti di convezione tramite numeri adimensionali. Alcune correlazioni semi-empiriche.
PARTE VI
Irraggiamento
Irraggiamento. Potere emissivo. Grandezze monocromatiche angolari e globali. Il corpo nero: legge di Plank, legge di Stefan-Boltzman-Wien. Legge di Kirchhoff. Il corpo grigio.
Scambio di calori tra corpi neri. Il fattore di vista.
Scambio di calore tra corpi grigi.
Analogia elettrica dello scambio radiativo. Scambio radiativo fra piu' superfici grigie.
Scambiatori di calore
Scambiatori di calore. Introduzione. Il bilancio di massa e di energia. Scambiatori in equicorrente e controcorrente Capacità termica di portata. La temperatura media logaritmica. Efficienza di uno scambiatore. Metodo -NTU.
APPROFONDIMENTI APPLICATIVI
• Cicli reali. Rendimento isoentropico e calcolo del lavoro perduto. Ciclo Joule-Brayton: Rapporto dei lavori e Backwork ratio. Cicli Joule - Brayton con trasformazioni non-isoentropiche. Ciclo Joule-Brayton con rigenerazione.
• Impianto frigorifero. Laminazione. Macchine frigorifere ad assorbimento. Progetto di un impianto ad assorbimento. Pompa di calore.
• Liquefazione dei gas.
• Impianto di condizionamento: progetto, componenti.
• Definizione di exergia. Exergia associata ad un trasferimento di lavoro, exergia associata ad un trasferimento di calore, exergia associata ad un flusso stazionario di materia
• Scambio termico con alette. Efficienza di aletta.
• Sistemi di raffreddamento bifase. Correlazioni empiriche per sistemi bifase.
PARTE I
Introduzione
Le applicazioni termodinamiche: panoramica dei campi industriali in cui i concetti del corso possono essere applicati. Breve storia della termodinamica. Unità di misura.
Sistema, variabili e vincoli termodinamici
Definizione di un sistema termodinamico. Sistema omogeneo, eterogeneo, semplice, composto. Variabili intensive, estensive. Pareti e vincoli.
Equilibrio termodinamico
Trasformazioni quasistatiche. Il lavoro meccanico: compressione, espansione, estensione.
Primo principio della termodinamica
L’energia interna. Equilibrio termico. Il calore scambiato. Primo principio della termodinamica.
Gas ideali
Definizione di gas ideale, equazione di stato dei gas ideali. Calori specifici dei gas ideali. La relazione di Mayer. Le trasformazioni termodinamiche e la loro rappresentazione grafica. Cenni sui gas reali.
PARTE II
Secondo principio della termodinamica
Postulati della termodinamica. Definizione della funzione entropia. Trasformazioni reversibili. Equazioni di Gibbs. Espansione libera di un gas: esperienza di Joule.
Enunciati del secondo principio della termodinamica. Efficienza di Carnot. Temperatura assoluta.
Depositi quasi-statici di lavoro e calore.
Trasformazioni termodinamiche dei sistemi chiusi
Definizione della funzione di stato entalpia. Diagramma P-T, P-V. Trasformazione isobara. Trasformazione isoterma. Trasformazione adiabatica. Trasformazione isocora. Trasformazioni politropiche. Indice della politropica.
PARTE III
Le sostanze e le loro trasformazioni
Potenziali termodinamici, definizione e proprietà.
Derivazione entropica di calori specifici, coefficiente di comprimibilità isoterma ed espansione termica a pressione costante.
Proprieta' di una sostanza. Diagrammi Pv e PT delle fasi. Trasformazioni di fase. Linee di saturazione, punto critico e punto triplo. La regola delle fasi di Gibbs. Equazione di Clausius-Clapeyron. Il diagramma di Mollier. Tabelle del vapore. Miscelazione isobarica. Miscelazione isovolumica.
Sistemi fluenti
Sistemi aperti. Definizione del volume di controllo. Bilancio di massa. Portata massica di un flusso in un condotto. Bilancio energetico. Moto dei fluidi nei condotti: sforzo tangenziale e termine di degradazione energetica. Profilo di velocità: caso laminare e caso turbolento. Abaco di Moody. Perdite di carico: coefficiente di perdita per varie geometrie.
I dispositivi fluidodinamici
Turbina, compressore, pompa, valvola di laminazione. Effetti delle irreversibilità sull’efficienza di una macchina, rendimenti isoentropici.
PARTE IV
I cicli termodinamici
Cicli simmetrici: proprietà. Cicli ideali: Ciclo Otto e ciclo Diesel (cicli ideali). Ciclo Joule-Brayton. Ciclo Rankine a vapore. Introduzione ai cicli inversi. Ciclo frigorifero a vapore. Diagramma p-h. I refrigeranti.
Aria umida
Miscele di gas ideali. Entropia di miscelamento. Aria umida. Le grandezze fondamentali. Trasformazioni dell’aria umida: riscaldamento, raffreddamento, compressione.
Miscelazione di aria umida.
TRASMISSIONE DEL CALORE
PARTE V
Conduzione del calore
I fenomeni di trasporto del calore. Conduzione del calore: postulato di Fourier. Il bilancio energetico: equazione di Fourier. Conduzione in regime stazionario. Caso della lastra piana mono e multistrato (con e senza generazione). Conduzione stazionaria in geometria cilindrica e sferica. Similitudine elettrica. Conduzione in regime variabile. Lastra piana semi-infinita. Metodo a parametri concentrati.
Convezione
Legge di Newton. Coefficienti di convezione e resistenza termica complessiva. Calcolo dei coefficienti di convezione tramite numeri adimensionali. Alcune correlazioni semi-empiriche.
PARTE VI
Irraggiamento
Irraggiamento. Potere emissivo. Grandezze monocromatiche angolari e globali. Il corpo nero: legge di Plank, legge di Stefan-Boltzman-Wien. Legge di Kirchhoff. Il corpo grigio.
Scambio di calori tra corpi neri. Il fattore di vista.
Scambio di calore tra corpi grigi.
Analogia elettrica dello scambio radiativo. Scambio radiativo fra piu' superfici grigie.
Scambiatori di calore
Scambiatori di calore. Introduzione. Il bilancio di massa e di energia. Scambiatori in equicorrente e controcorrente Capacità termica di portata. La temperatura media logaritmica. Efficienza di uno scambiatore. Metodo -NTU.
APPROFONDIMENTI APPLICATIVI
• Cicli reali. Rendimento isoentropico e calcolo del lavoro perduto. Ciclo Joule-Brayton: Rapporto dei lavori e Backwork ratio. Cicli Joule - Brayton con trasformazioni non-isoentropiche. Ciclo Joule-Brayton con rigenerazione.
• Impianto frigorifero. Laminazione. Macchine frigorifere ad assorbimento. Progetto di un impianto ad assorbimento. Pompa di calore.
• Liquefazione dei gas.
• Impianto di condizionamento: progetto, componenti.
• Definizione di exergia. Exergia associata ad un trasferimento di lavoro, exergia associata ad un trasferimento di calore, exergia associata ad un flusso stazionario di materia
• Scambio termico con alette. Efficienza di aletta.
• Sistemi di raffreddamento bifase. Correlazioni empiriche per sistemi bifase.
Lingua Insegnamento
Italiano
Corsi
Corsi
INGEGNERIA INDUSTRIALE
Laurea
3 anni
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