FISICA TECNICA A - L OBIETTIVI FORMATIVI PREREQUISITI RICHIESTI FREQUENZA LEZIONI CONTENUTI DEL CORSO

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICA Corso di laurea in Ingegneria industriale Anno accademico 2017/ anno FISICA TECNICA A - L ING-IND/10-9 CFU - 2 semestre Docente titolare dell'insegnamento ARTURO PAGANO apagano@dii.unict.it Edificio / Indirizzo: Edificio 13, Cittadella Universitaria, V.le A. Doria 6 Telefono: Orario ricevimento: Lu ; Me ; Gi OBIETTIVI FORMATIVI Il corso ha la finalità di fornire conoscenze: - di termodinamica, negli aspetti teorici fondamentali e, soprattutto, nelle sue applicazioni ai principali componenti impiantistici, ai cicli termodinamici diretti ed inversi ed agli impianti di climatizzazione dell aria; - dei tre meccanismi fondamentali di scambio termico, delle loro possibili interazioni, nonché dei modelli per la descrizione e caratterizzazione dello scambio termico in geometrie semplici e in scambiatori di calore. PREREQUISITI RICHIESTI Analisi I e Fisica I FREQUENZA LEZIONI Obbligatoria per almeno il 70% delle ore di lezione. CONTENUTI DEL CORSO 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

2 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 11. PRINCIPI FONDAMENTALI DI TRASMISSIONE DEL CALORE Introduzione alla trasmissione del calore: le modalità di trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Il campo di temperatura ed il flusso termico. 12. CONDUZIONE STAZIONARIA IN GEOMETRIE MONODIMENSIONALI La legge di Fourier e la conducibilità termica dei materiali; la conduzione in regime stazionario nei mezzi omogenei ed isotropi; l analogia elettro-termica e le definizioni di resistenza conduttiva e convettiva; valutazione dello scambio termico stazionario per le geometrie monodimensionali: pareti piane, gusci cilindrici e gusci sferici; il raggio critico di isolamento. 13. CONVEZIONE FORZATA ESTERNA ED INTERNA E CONVEZIONE NATURALE La trasmissione del calore per convezione forzata esterna; parametri adimensionali della convezione forzata; i regimi di moto; il flusso su piastra piana; cenni su altre geometrie. La trasmissione del calore per convezione forzata interna; il flusso all interno di condotti e canali; le scambio termico, le perdite di carico e l Abaco di Moody. La trasmissione del calore per convezione naturale. 14. SCAMBIO TERMICO RADIATIVO Principi fondamentali dell irraggiamento; il corpo nero e le sue leggi fondamentali; le proprietà radiative ed il modello del corpo grigio. La trasmissione del calore per irraggiamento; i fattori di vista; lo scambio termico tra superfici nere e grigie. 15. SCAMBIATORI DI CALORE Tipi e classificazione degli scambiatori di calore; il coefficiente globale di scambio termico; criteri di dimensionamento; la differenza di temperatura media logaritmica; il metodo?- NTU. 16. PROBLEMI MISTI DI CONDUZIONE E CONVEZIONE I problemi misti di conduzione e convezione: le superfici alettate e le definizioni di efficacia ed efficienza delle alette e delle alettature; la conduzione termica in regime variabile; schematizzazione mediante modelli a parametri concentrati; i diagrammi di Heisler. TESTI DI RIFERIMENTO

3 1. Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E 2. M. J. MORAN, FISICA TECNICA PER L INGEGNERIA - MCGRAW-HILL 3. G. CESINI, G. LATINI, F. POLONARA, FISICA TECNICA, CITTÀ STUDI EDIZIONI PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi 1 * Postulato di Stato (Legge di Gibbs) 2 * Grandezze di Stato e Grandezze di Scambio 3 * Comportamento termodinamico delle sostanze pure 4 * Bilanci di massa ed energia e primo principio della termodinamica 5 * Secondo principio della termodinamica ed Entropia 6 * Comportamento termodinamico dei principali componenti tecnonologici 7 * Cicli diretti a gas (ad aria standard) e a vapore 8 * Cicli inversi a compressione di vapore 9 * Psicrometria e trattamenti dell'aria umida Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL Y. A. ÇENGEL - TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE - MCGRAW-HILL

4 10 * Conduzione stazionaria in geometrie monodimensionali 11 * Convezione forzata esterna ed interna e convezione naturale 12 * Scambio termico radiativo 13 * Scambiatori di calore 14 Problemi misti di conduzione e convezione: la conduzione termica in regime variabile e le superfici alettate * Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame. N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame. MATERIALE DIDATTICO Slide delle lezioni, esercitazioni svolte, tabelle e diagrammi sono continuamente aggiornate e messe a disposizione sulla pagina studium del corso. VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO 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 e di processi e sistemi di scambio termico. PROVE IN ITINERE Una a metà corso, al termine delle lezioni di termodinamica applicata, ed una a fine corso, al termine delle lezioni di trasmissione del calore. Il superamento delle due prove è equiparato al superamento della prova scritta dell esame, purchè questo venga sostenuto entro il medesimo anno accademico. Le prove in itinere sono strutturate 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 e di processi e sistemi di scambio termico.

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