Temi per la prova orale di Fisica Tecnica

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1 I temi elencati nel seguito vogliono essere una guida alla preparazione della prova orale dell esame di Fisica Tecnica cosicché gli allievi possano raggiungere una preparazione completa sugli argomenti fondamentali del corso. Pur non esaurendo la varietà degli argomenti oggetto di discussione, essi costituiscono tuttavia una solida base. Termodinamica generale. Principi fondamentali. 1. Principio zero della termodinamica, teorema di esistenza della temperatura. 2. Primo principio della termodinamica, esperimento del mulinello di Joule, energia interna. 3. Secondo principio della termodinamica: equivalenza dei postulati di Kelvin-Plank, Clausius e Karathéodory. 4. Ricerca del fattore integrante della forma differenziale che esprime l'energia scambiata in un'interazione termica elementare per un sistema termodinamico semplificato. 5. Teorema di non decrescita dell entropia in un processo adiabatico. 6. Concetti di exergia, anergia, disponibilità adiabatica ed energia disponibile rispetto ad una sorgente di calore. Formalismo termodinamico e sue applicazioni. 7. Deduzione dei potenziali termodinamici dalla relazione fondamentale nella formulazione energetica. 8. Equazioni di stato, coefficienti termodinamici e relazione di Maxwell derivati dall energia interna. 9. Equazioni di stato, coefficienti termodinamici e relazione di Maxwell derivati dall entalpia. 10. Equazioni di stato, coefficienti termodinamici e relazione di Maxwell derivati dal potenziale di Helmoltz. 11. Equazioni di stato, coefficienti termodinamici e relazione di Maxwell derivati dal potenziale di Gibbs. 12. Espansione libera di un fluido: dipendenza dell energia interna da temperatura e volume. Casi particolari: gas perfetto e liquido perfetto. 13. Espansione strozzata di un fluido: dipendenza dell entalpia da temperatura e pressione. Coefficiente di Joule-Thompson. Casi particolari: gas perfetto e liquido perfetto. 14. Relazione fra entropia, temperatura e pressione per una sostanza pura. Casi particolari: gas perfetto e liquido/solido perfetto. 15. Relazione fra entropia, temperatura e volume per una sostanza pura. Caso particolare: gas perfetto. 16. Relazione fra entropia, pressione e volume per una sostanza pura. Caso particolare: gas perfetto. 17. Relazione fra cp e cv. Casi particolari: gas perfetto e liquido/solido perfetto. 18. Relazione fra s e T. 19. Relazioni di Eulero e di Gibbs-Duhem. Corso di Fisica Tecnica Prof. Luigi P.M. Colombo Pagina 1

2 20. Condizioni di equilibrio termodinamico e stabilità dell equilibrio. Gas reali. 21. Equazioni di stato di Amagat (fattore di comprimibilità) e di Van der Waals. Andamento delle isoterme di Amagat. 22. Formulazione dell equazione di stato di Van der Waals in coordinate ridotte. Principio degli stati corrispondenti. 23. Isoterme subcritiche di Van der Waals. Costruzione di Maxwell per la determinazione della curva di saturazione nella transizione di fase liquido-vapore. Transizioni di fase. 24. Transizioni di fase del primo ordine. Regola delle fasi. Concetto di entalpia di transizione (calore latente). 25. Deduzione della relazione di Clausius-Clapeyron. Rappresentazioni delle curve di coesistenza delle fasi nel diagramma (T,p). 26. Deduzione approssimata del legame di saturazione fra pressione e temperatura nella transizione di fase liquido-vapore. 27. Stati tripli. Gas perfetto multicomponente. 28. Gas perfetto multicomponente: frazione molare, frazione massica, massa molare apparente, pressione parziale, legge di Dalton. 29. Gas perfetto multicomponente: energia interna, cv, entalpia, cp. 30. Gas perfetto multicomponente: entropia della miscela ed entropia di miscelamento. 31. Concetti di umidità assoluta, umidità relativa e loro relazione. 32. Definizione dell entalpia specifica dell aria umida. Termodinamica applicata. Analisi delle trasformazioni termodinamiche. 1. Andamento delle trasformazioni isobare, isocore e isoentalpiche nel piano (T,s) per stati monofase (liquido, vapore, gas) e bifase (vapore umido). 2. Andamento delle trasformazioni isobare ed isoterme nel piano (h,s) per stati monofase (liquido, vapore, gas) e bifase (vapore umido). 3. Andamento delle trasformazioni isoterme ed isoentropiche nel piano (p,h) per stati monofase (liquido, vapore, gas) e bifase (vapore umido). 4. Trasformazioni politropiche di gas perfetti. Deduzione della rappresentazione nelle coordinate (p,v) e (T,S) con i relativi diagrammi. Legame fra l indice n e il calore specifico cx. Corso di Fisica Tecnica Prof. Luigi P.M. Colombo Pagina 2

3 Sistemi fluenti. 5. Postulato del continuo. Numero di Knudsen. Postulato dell equilibrio locale. Bilancio di massa di un sistema fluente. Velocità media di sezione, portata in volume, portata in massa. 6. Bilancio energetico di un sistema fluente. Concetti di lavoro di pulsione e di lavoro d albero. Temperatura di miscelamento adiabatico. 7. Bilancio entropico di un sistema fluente. Concetto di exergia del deflusso. 8. Bilancio delle energie meccaniche (teorema di Bernoulli generalizzato). Termine di degradazione energetica. Macchine e componenti d impianto. 9. Compressore volumetrico politropico. Calcolo del lavoro d albero. 10. Compressore adiabatico con uno stadio di interrefrigerazione (completa). Calcolo del rapporto di compressione ottimale. 11. Analisi termodinamica di una turbina a gas e di una turbina a vapore. Effetti dell irreversibilità. Rendimento isoentropico. Rappresentazioni nei piani (T,s) e (h,s). 12. Analisi termodinamica di una valvola di laminazione. Effetti dell irreversibilità. Casi particolari: laminazione di un gas perfetto e di un liquido saturo. Rappresentazioni nei piani (T,s), (h,s) e (p,h). 13. Analisi termodinamica degli efflussi isoentropici in ugelli e diffusori. Concetto di blocco sonico. Macchine cicliche. 14. Analisi termodinamica di una macchina ciclica motrice. Concetto di rendimento. Concetto di exergia del calore. Ciclo diretto reversibile di Carnot. Effetti dell irreversibilità. 15. Analisi termodinamica di una macchina ciclica operatrice. Concetto di coefficiente di prestazione. Ciclo inverso reversibile di Carnot. Effetti dell irreversibilità. 16. Analisi termodinamica del ciclo di Joule-Brayton motore. Legame fra rendimento e rapporto di compressione manometrico. 17. Ciclo di Joule-Brayton motore di lavoro specifico massimo. 18. Analisi termodinamica del ciclo di Joule-Brayton motore con rigenerazione. 19. Analisi termodinamica del ciclo di Joule-Brayton frigorifero. Legame fra coefficiente di prestazione e rapporto di compressione manometrico. 20. Analisi termodinamica del ciclo Rankine semplice. Surriscaldamento e suo effetto sul rendimento. 21. Spillamenti rigenerativi nel ciclo di Rankine. Calcolo della portata di vapore spillata. 22. Analisi termodinamica del ciclo inverso a compressione di vapore. Effetti dell irreversibilità delle trasformazioni. Termotecnica dell aria umida. 23. Diagramma di Mollier dell aria umida. Costruzione delle isoterme nella regione degli stati omogenei ed eterogenei. Corso di Fisica Tecnica Prof. Luigi P.M. Colombo Pagina 3

4 24. Raffreddamento con deumidificazione. Concetto di temperatura di rugiada. 25. Saturazione adiabatica mediante iniezione di acqua. Concetto di temperatura di bulbo umido. 26. Raggiungimento delle condizioni di saturazione mediante aggiunta di vapore a temperatura e pressione totale costante. 27. Raggiungimento delle condizioni di saturazione mediante compressione isoterma. 28. Principio di funzionamento di una torre evaporativa. Equazioni di bilancio della massa e dell energia. Trasmissione del calore. Conduzione. 1. Deduzione dell equazione differenziale di trasporto dell energia per diffusione termica (detta di Fourier). 2. Discussione delle condizioni al contorno per un problema di conduzione e delle condizioni all interfaccia nel caso di mezzo stratificato. 3. Deduzione dell andamento della temperatura in regime stazionario in una parete piana con generazione di potenza uniforme e condizioni al contorno di prima specie. 4. Deduzione dell andamento della temperatura in regime stazionario in uno strato cilindrico con generazione di potenza uniforme e condizioni al contorno di prima specie. 5. Deduzione dell andamento della temperatura in regime stazionario in un guscio sferico con generazione di potenza uniforme e condizioni al contorno di prima specie. 6. Deduzione dell espressione della resistenza termica di una parete piana. 7. Deduzione dell espressione della resistenza termica di uno strato cilindrico. 8. Deduzione dell espressione della resistenza termica di un guscio sferico. 9. Concetto di spessore critico di isolamento e sua deduzione per uno strato cilindrico. 10. Analisi di un transitorio termico a parametri concentrati. Numero di Biot e costante di tempo: formulazione e significato fisico. Convezione. 1. Gruppi adimensionali caratteristici della convezione forzata di un fluido monofase: definizioni e significato fisico. 2. Convezione naturale: discussione dei principi fisici e caratterizzazione dello scambio termico mediante gruppi adimensionali caratteristici. 3. Concetto e definizione di coefficiente globale di scambio termico. 4. Scambio termico convettivo in un condotto con flusso termico per unità di superficie imposto alla parete: deduzione dell andamento della temperatura di miscelamento adiabatico e della temperatura di parete lungo l asse. 5. Scambio termico convettivo in un condotto con temperatura imposta sulla parete: deduzione dell andamento della temperatura di miscelamento adiabatico lungo l asse. Corso di Fisica Tecnica Prof. Luigi P.M. Colombo Pagina 4

5 6. Analisi termica di uno scambiatore di calore a correnti parallele. Concetto e impiego della differenza di temperatura media logaritmica. 7. Gruppi adimensionali caratteristici della trasmissione termica in uno scambiatore di calore: efficienza e numero di unità di trasporto termico. Irraggiamento. 1. Leggi di radiazione del corpo nero. 2. Definizioni di emissività monocromatica e integrale, assorptività monocromatica e integrale, trasmissività monocromatica e integrale, riflettività monocromatica e integrale. Relazioni fra i coefficienti. 3. Teorema di Kirchhoff. Corpi grigi. Superfici selettive. 4. Concetto di fattore di vista e sue proprietà. 5. Scambio termico radiativo fra corpi grigi: deduzione della resistenza radiativa superficiale. 6. Scambio termico radiativo fra corpi grigi: deduzione della resistenza radiativa spaziale. Corso di Fisica Tecnica Prof. Luigi P.M. Colombo Pagina 5