Livello e corso di studio Laurea Triennale in Ingegneria Industriale L-9. Settore scientifico disciplinare (SSD) ING-IND/08.

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1 Insegnamento Termodinamica Applicata Livello e corso di studio Laurea Triennale in Ingegneria Industriale L-9 Settore scientifico disciplinare (SSD) ING-IND/08 Anno di corso 1 Numero totale di crediti Propedeuticità Docente Obiettivi formativi 9 Analisi 1, Analisi 2, Fisica Laura Tribioli Facoltà: Ingegneria Nickname: laura.tribioli laura.tribioli@unicusano.it Orario di ricevimento: consultare calendario videoconferenze Il corso ha lo scopo di introdurre lo studente ai principi della termodinamica, all analisi del comportamento dei fluidi di lavoro comunemente utilizzati nella pratica ingegneristica, ai principali processi e cicli termodinamici che utilizzano tali fluidi e ai fondamenti della trasmissione del calore. Inoltre, questo corso prevede l applicazione nella pratica dei concetti teorici, proponendosi di porre le basi della forma mentis tipica dell ingegnere. Con riferimento specifico ai descrittori di Dublino, è possibile quindi identificare i seguenti obiettivi formativi: Conoscenza e capacità di comprensione: 1. Conoscenza e comprensione dei principi fondamentali della termodinamica 2. Conoscenza e comprensione del comportamento termodinamico di sostanze pure e miscele di aria e vapore d'acqua 3. Conoscenza e comprensione della rappresentazione termodinamica di processi reali di conversione dell'energia 4. Conoscenza e comprensione della rappresentazione termodinamica di processi di condizionamento dell'aria 5. Conoscenza e comprensione dei meccanismi di trasmissione del calore e delle relative leggi fondamentali 6. Conoscenza e comprensione della rappresentazione semplificata di processi reali di scambio termico Conoscenza e capacità di comprensione applicate: 7. Capacità di modellare il comportamento delle proprietà delle sostanze pure utilizzando modelli analitici 8. Capacità di modellare sistemi reali attraverso trasformazioni e cicli termodinamici sia di sostanze pure che di miscele di aria e vapor d acqua, applicando relazioni analitiche 9. Capacità di modellare e analizzare processi di scambio termico in sistemi reali, utilizzando relazioni analitiche Prerequisiti Contenuti del corso Ottima conoscenza delle materie scientifiche di base, quali analisi e fisica. Ottima conoscenza anche del sistema internazionale di unità di misura, delle conversioni tra diverse unità di misura e delle equivalenze tra multipli e sottomultipli. Al riguardo, si consiglia di rivedere tali nozioni, propedeutiche ai fini della comprensione della materia e dell apprendimento della stessa. Modulo 1 Introduzione. Unità di misura. Definizioni fondamentali. Grandezze termodinamiche. Scale di temperatura. Modulo 2 Introduzione ai concetti di lavoro e calore. Il principio di conservazione dell energia e della massa. Derivazione del Primo Principio della Termodinamica e sua caratterizzazione per sistemi chiusi e aperti. Modulo 3 Proprietà delle sostanze: capacità termica e calori specifici. Comportamento dei gas perfetti e differenze con i gas reali. Derivazione della legge di stato dei gas perfetti. Vapore umido, passaggi di stato e diagrammi di stato. Comprensione e utilizzo delle tabelle delle proprietà del vapore umido nei suoi stati 1

2 termodinamici. Modulo 4 Il Secondo Principio della Termodinamica. I concetti di reversibilità e irreversibilità e la funzione Entropia. Ciclo di Carnot e temperatura termodinamica. Modulo 5 Cicli termodinamici per la produzione di lavoro con gas ideali. Cicli Otto, Diesel, Sabathé e Joule- Brayton e loro modifiche. Cicli termodinamici per la produzione di lavoro con vapore. Cicli Rankine, Hirn e loro modifiche. Modulo 6 Cicli inversi per generazione di freddo e/o calore: macchine frigorifere e pompe di calore. Principali proprietà dei fluidi frigorigeni. Modulo 7 Caratterizzazione delle miscele di aria umida. Principali trasformazioni di queste miscele e utilizzo dei diagrammi psicrometrici. Applicazione per il dimensionamento degli impianti di condizionamento dell'aria. Modulo 8 Principi di trasmissione del calore. Meccanismo di trasmissione del calore per conduzione. Meccanismo di trasmissione del calore per convezione. Meccanismo di trasmissione del calore per irraggiamento. Meccanismi combinati di trasmissione del calore. Modulo 9 Applicazione dei principi di trasmissione del calore e dei principi della termodinamica al caso degli scambiatori di calore. Materiali di studio MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE Testi consigliati: Y. Çengel, Termodinamica e Trasmissione del Calore, McGraw-Hill F. Kreith, Principi di trasmissione del calore, Liguori editore M. J. Moran, H. N. Shapiro, B. R. Munson, D. P. Dewitt, Introduction to Thermal Systems Engineering: Thermodynamics, Fluid Mechanics, and Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., ISBN: M. A. Cucumo, V. Marinelli, Termodinamica applicata, Pitagora editrice Bologna A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica Applicata, CLEUP editore C. Bonacina, A. Cavallini, L. Mattarolo, Trasmissione del Calore, CLEUP editore Metodi didattici Modalità di verifica dell apprendimento Criteri per l assegnazione dell elaborato finale Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ogni modulo. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove i docenti e/o i tutor individuano i temi e gli argomenti più significativi dell insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti. L esame consiste di norma nello svolgimento di una prova scritta e/o orale tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti. Il compito di esame è composto da tre esercizi. I tre argomenti che saranno sempre presenti sono: primo e secondo principio della termodinamica e/o trasformazioni termodinamiche (Moduli 1-6); psicrometria (Modulo 7); trasmissione del calore e sue applicazioni (Moduli 8-9). Ogni esercizio vale 10 punti su 30. Ci sono delle domandine di teoria una per ciascun esercizio. Le domande di teoria vengono valutate se e solo se vengono svolti, almeno parzialmente, gli esercizi e possono contribuire al conseguimento della lode. L assegnazione dell elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 - Lezione 1 Modulo 1 - Lezione 2 Grandezze fisiche/unità di misura. Primi concetti generali: grandezze fisiche; sistemi chiusi e aperte; proprietà termodinamiche. Ancora concetti generali: equilibrio termodinamico; sistema aperto in regime stazionario; cicli termodinamici e irreversibilità. 2

3 Modulo 1 - Lezione 3 Modulo 2 - Lezione 1 Modulo 2 Lezione 2 Modulo 2 Lezione 3 Modulo 2 Lezione 4 Modulo 2 Lezione 5 Modulo 3 Lezione 1 Modulo 3 Lezione 2 Modulo 3 Lezione 3 Modulo 3 Lezione 4 Modulo 3 Lezione 5 Modulo 3 Lezione 6 Modulo 3 Lezione 7 Modulo 4 Lezione 1 Modulo 4 Lezione 2 Modulo 4 Lezione 3 Modulo 4 Lezione 4 Modulo 4 Lezione 5 Modulo 4 Lezione 6 Modulo 5 Lezione 1 Modulo 5 Lezione 2 Modulo 5 Lezione 3 Le grandezze di stato e le scale di temperatura. Concetto di Energia. Lavoro e Calore Principio di conservazione dell energia e derivazione del primo principio della termodinamica Applicazione del primo principio della termodinamica ai sistemi chiusi Applicazione del primo principio della termodinamica ai sistemi aperti. Analisi dei volumi di controllo in base alla conservazione della massa e alla conservazione dell energia. I più comuni dispositivi a flusso stazionario. Espansore e compressore, valvola di laminazione, ugelli e diffusori, scambiatori di calore. Capacità termica e calori specifici Introduzione all ipotesi di gas perfetto e differenze con i gas reali Calori specifici per i gas perfetti Le trasformazioni dei gas ideali Vapore umido. Cambiamento di stato e diagrammi termodinamici Le tabelle delle proprietà per il vapore umido. Le tabelle delle proprietà per il vapore umido. Esempi applicativi. Il secondo principio della termodinamica e i suoi enunciati. Principali differenze tra trasformazioni reversibili e irreversibili e analisi dei principali tipi di irreversibilità. Introduzione al ciclo di Carnot e comprensione del concetto di temperatura termodinamica. Concetto di entropia. Utilizzo del diagramma entropico (o di Gibbs) e del diagramma entalpico (o di Mollier). Applicazioni e Implicazioni del secondo principio della termodinamica nel caso di compressore e turbina dinamici. Comprensione dei concetti di lavoro di recupero e controrecupero. Cicli termodinamici diretti con gas ideali e brevi cenni sui motori a combustione interna e sui cicli ideali di riferimento (ciclo Otto, Diesel e Sabathé) utilizzati per la valutazione delle performance dei motori. Cicli termodinamici diretti con gas ideali e brevi cenni sugli impianti turbogas. Analisi del ciclo semplice ideale di riferimento (ciclo Joule-Brayton) utilizzati per la valutazione delle performance. Confronto del ciclo ideale e del ciclo reale. Analisi dei cicli ideali di riferimento degli impianti turbogas modificati. 3

4 Modulo 5 Lezione 4 Modulo 6 Lezione 1 Modulo 7 Lezione 1 Modulo 7 Lezione 2 Modulo 7 Lezione 3 Modulo 7 Lezione 4 Modulo 8 Lezione 1 Modulo 8 Lezione 2 Modulo 8 Lezione 3 Modulo 8 Lezione 4 Modulo 8 Lezione 5 Modulo 8 Lezione 6 Modulo 8 Lezione 7 Modulo 8 Lezione 8 Modulo 8 Lezione 9 Modulo 8 Lezione 10 Cicli termodinamici diretti a vapore d acqua e brevi cenni sugli impianti a vapore con ciclo semplice (ciclo Rankine) e sue modifiche. (ciclo Hirn) utilizzati per la valutazione delle performance. Cicli inversi per generazione di freddo e/o calore: macchine frigorifere, pompe di calore e fluidi frigorigeni. Ciclo frigorifero ad assorbimento. Introduzione alla psicrometria per lo studio dell aria atmosferica come miscela di gas e vapore. Utilizzo dei diagrammi psicrometrici. Diagrammi di Mollier, ASHRAE e Carrier. Principali trasformazioni dell aria umida. Principali trasformazioni dell aria umida con applicazione ai casi di condizionamento estivo ed invernale dell aria. Introduzione ai principali meccanismi di trasmissione del calore. La trasmissione del calore per conduzione in regime stazionario. Concetto di conducibilità termica e spiegazione dell analogia elettrica per l analisi del fenomeno di trasmissione di calore. Conduzione monodimensionale stazionaria in geometrie semplici: pareti piane, cilindri cavi, sfere e gusci. Conduzione in pareti composte e raggio critico dell isolante. Conduzione monodimensionale stazionaria in sistemi con generazione uniforme di calore. Analisi della dispersione di calore in superfici alettate con diverse condizioni al contorno. La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario. Concetto di coefficiente di scambio termico convettivo. Cenni di fluidodinamica: strato limite di velocità e strato limite termico. Introduzione dei primi parametri adimensionali: numero di Reynolds, numero di Prandtl e numero di Nusselt. La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione forzata esterna (su pareti piane, cilindri e sfere). Spiegazione dell utilizzo delle formule empiriche per la determinazione del coefficiente di scambio termico convettivo. La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione forzata interna (in condotti). Analisi di flussi interni a tubi, perdite di pressione. La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione forzata interna (in condotti). Spiegazione dell utilizzo delle formule empiriche per la determinazione dei coefficienti di attrito e di scambio termico convettivo. La trasmissione del calore per convezione in regime stazionario: la convezione libera o naturale. Introduzione dei numeri adimensionali di Grashof e Rayleigh. Spiegazione dell utilizzo delle formule empiriche per la determinazione del coefficiente di scambio termico convettivo. Convezione combinata naturale e forzata. Introduzione al meccanismo di scambio termico per irraggiamento in regime stazionario e sua connessione con la radiazione termica. Concetto di potere emissivo e introduzione della legge di Stefan Boltzmann. Spiegazione dei concetti di corpo nero e corpo grigio e delle proprietà radiative di questi corpi. Principali differenze tra questi modelli e le proprietà radiative di un corpo reale. Legge di Kirchhoff. 4

5 Modulo 8 Lezione 11 Modulo 8 Lezione 12 Modulo 9 Lezione 1 Modulo 9 Lezione 2 Fattori di vista e loro relazioni fondamentali. Irraggiamento tra superfici nere. Irraggiamento tra superfici grigie e diffondenti. Concetto di radiosità. Valutazione della potenza termica netta trasmessa a (da) una superficie. Valutazione della potenza termica netta trasmessa a (da) una superficie verso un altra. Potenza termica scambiata tra due superfici e tra tre superfici. Concetto di schermo radiante. Introduzione delle diverse tipologie di scambiatori di calore comunemente utilizzati nella pratica ingegneristica. Fondamenti della progettazione degli scambiatori di calore a superficie. Concetto di temperatura media logaritmica. Metodo diretto della differenza media logaritmica e metodo inverso epsilon-ntu. 5

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