DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICA Corso di laurea in Ingegneria industriale Anno accademico 2016/2017-2 anno FISICA TECNICA M - Z 9 CFU - 2 semestre Docente titolare dell'insegnamento LUIGI CAMMARATA Email: lcamma@dii.unict.it Edificio / Indirizzo: viale Andrea Doria,6, polifunzionale, sesto piano Telefono: 0957382407 Orario ricevimento: martedi 9:00-12:00, giovedi 9:00-12:00 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 principi per la descrizione e caratterizzazione dello scambio termico in geometrie semplici e in scambiatori di calore. CONTENUTI DEL CORSO Termodinamica generale Sistema termodinamico: sistemi chiusi, aperti ed isolati, stato di equilibrio di un sistema, grandezze caratteristiche di un sistema; grandezze di scambio: calore e lavoro, grandezze di stato: energia interna, entalpia, entropia, exergia: bilanci di exergia, rendimenti exergetici di compressori e turbine, rendimento exergetico per scambi termici. Processo termodinamico: definizione di processo: processo isobaro, isovolumico, isotermo, adiabatico, politropico; equazione di stato ed equazione di trasformazione, gas perfetti: equazione di stato ed equazioni di trasformazione relative; gas reali secondo il modello di Van der Walls: fattore di comprimibilità e legge degli stati corrispondenti; processo di laminazione, espansione di Joule-Thompson. Primo principio della termodinamica: equazione di bilancio di energia per i sistemi aperti nella prima e nella seconda forma per regime transitorio e regime stazionario, equazione di bilancio di energia per i sistemi chiusi. Secondo principio della termodinamica: Enunciato di Clausius, di Kelvin-Plank ed enunciato di Carnot; macchina termica a ciclo diretto ed a ciclo inverso, macchina di Carnot; entropia: eguaglianza e
diseguaglianza di Clausius, entropia dei gas perfetti, rendimenti isoentropici di espansione e di compressione, compressioni multistadio; equazioni di Maxwell, calcolo delle proprietà termostatiche per una sostanza qualsiasi Vapori: vapori saturi e surriscaldati, titolo di un vapore, equazione di Clausius-Clapeyron; calcolo delle proprietà termostatiche di un vapore saturo. Exergia: energia utilizzabile: exergia di un sistema, exergia di una quantità di calore, equazione di bilancio exergetico per un sistema chiuso, equazione di Gouy-Stodola, equazione generalizzata di bilancio di exergia per un sistema aperto, rendimenti exergetici nei processi di espansione e di compressione, rendimenti exergetici nei processi di solo scambio termico; formulazione del primo e del secondo principio della termodinamica in termini di exergia, diagramma exergia-entropia. Termodinamica applicata Cicli diretti a gas: Cicli nei motori a combustione interna: ciclo Otto, ciclo Diesel, ciclo Sabathè, cicli nei turbomotori a gas (ciclo Brayton-Joule ideale e reale con e senza rigenerazione), cicli bitermici reversibili (ciclo Stirling e ciclo Ericson), ciclo in un propulsore turbogetto, cenno alla cogenerazione ed impianti combinati. Cicli diretti a vapore: ciclo Rankine a vapore saturo secco, ciclo Hirn, cicli con doppio surriscaldamento, cicli a spillamento. Generatori di calore. Cicli inversi a vapore e a gas: macchine frigorifere a compressione meccanica di vapore (frigorifero a semplice compressione di vapore e semplice laminazione, frigorifero a doppia compressione e doppia laminazione), macchina frigorifera ad assorbimento, macchina frigorifera a gas, pompa di calore. Aria umida: grandezze caratteristiche dell aria umida, diagramma psicrometrico di Mollier, principali trasformazioni dell aria umida, torre evaporativa, condizionamento estivo ed invernale. Termoelettricità: fenomeni termoelettrici: effetto Joule-Thomson, effetto Peltier, effetto Seebeck, refrigerazione termoelettrica, generatori termoelettrici. Fluidodinamica Fluidi newtoniani: proprietà fisiche, viscosità cinematica e dinamica, forze di massa e di superficie, stato pensionale ed equazioni costitutive di Newton. Cinematica: regimi di moto, portata e velocità media, equazioni differenziali ed integrali di bilancio di massa, moto vorticoso e moto a potenziale cinetico, linee di corrente e traiet6torie, funzione di corrente. Dinamica: bilancio differenziale di quantità di moto (equazione di Navier-Stokes, equazione di Eulero), bilancio integrale di quantità di moto (equazione degli impulsi), fluidi barotropici (potenziale di
accelerazione ed equazione di Helmholtz). Moto in condotti: regimi laminare e turbolento, principio di similitudine di Reynolds, fattore di attrito di Fanning e fattore di Weisbach, analisi dimensionale per la determinazione del fattore di attrito in regime turbolento, profilo di velocità e di sforzo tangenziale nei condotti cilindrici, perdite di pressione distribuite in regime laminare e turbolento, perdite per resistenze localizzate, condotti in serie ed in parallelo, circuiti chiusi ed aperti. Deflussi aperti: strato limite dinamico, equazioni di strato limite di Prandtl per fluidi a proprietà costanti in regime laminare e turbolento, similitudine dei profili di velocità all interno dello strato limite dinamico, ampiezza dello spessore di strato limite in regime laminare e turbolento, fattore locale di attrito di Fanning, calcolo delle caratteristiche dello strato limite. Fluidi non newtoniani: equazioni costitutive per i fluidi non newtoniani, modello di Bingham, fluidi tixotropici e reopectici, fluidi elasto-viscosi: modello di Maxwell e di Kelvin-Voigh, profili di velocità e perdite di pressione nei condotti cilindrici secondo il modello di Bingham e della potenza di Ostwald. Termofluidodinamica Deflusso comprimibile monodimensionale: definizione di regime monodimensionale stazionario, comprimibilità ed espansione, velocità isoentropica del suono, numero di Mach critico e numero di Mach locale, stato di ristagno e stato termodinamico critico isoentropico, fattore di comprimibilità Fenomeni d urto: onde d urto normali, modello matematico di un onda d urto, equazione di Prandtl- Meyer, stati termodinamici a monte e a valle di un onda d urto, formazione ed evoluzione di un onda d urto, equazione di Rankine-Hugoniot. Moto adiabatico nei condotti a sezione variabile: moto isoentropico e teorema di Hugoniot, ugelli e diffusori, velocità isoentropica e portata di massa specifica, portata specifica massima; dimensionamento e funzionamento degli ugelli e diffusori: convergenti e convergenti-divergenti, moto adiabatico con attrito, rendimenti isoentropici di espansione e compressione, coefficienti di velocità. Moto adiabatico nei condotti cilindrici: moto adiabatico con attrito e teorema di Fanno, parametro limite d attrito, lunghezza massima e gradiente di pressione, velocità adiabatica, stato critico adiabatico e stato di massima entropia, funzionamento dei condotti misti. Moto di Rayleigh: deflusso con scambio termico ideale nei condotti cilindrici, velocita massima, stato critico di massima entropia e somministrazione massima di calore, evoluzione del deflusso sulla linea di Rayleigh, funzionamento dei condotti misti. Moto isotermo: perdite di pressione in regime laminare e turbolento nei condotti cilindrici, stato critico isotermo, parametro limite di attrito, lunghezza massima e gradiente di pressione, condizione di isotermicità nei gasdotti, metanodotti e tubazioni per gas illuminante; regime isotermo nei condotti a sezione variabile.
Trasmissione del calore Conduzione: equazione generale della conduzione: equazione differenziale di Laplace, Poisson e Fourier, gradiente di temperatura in superfici piane, cilindriche e sferiche con e senza generazione interna di calore, calcolo del flusso termico: postulato di Fourier; superfici alettate: gradiente termico ed efficienza di un aletta. Convezione: scambio termico convettivo, postutato di Newton, convezione forzata e naturale nei condotti e nei deflussi esterni, gruppi adimensionali caratteristici della convenzione forzata e naturale, analisi dimensionale per la determinazione del coefficiente di scambio termico convettivo, scambio termico misto conduttivo-convettivo: resistenza e trasmittanza termica. Scambiatori di calore: forme e tipologia: scambiatori di calore a tubi concentrici, a fascio tubero, a tubi e mantello, scambiatori a flusso incrociato; scambio termico in equicorrente e controcorrente; calcolo della trasmittanza termica per uno scambiatore, progetto e verifica di uno scambiatore: metodo della differenza media logaritmica e metodo delle, calcolo dell efficienza di uno scambiatore. Scambio termico in cambiamento di fase: condensazione a film ed a gocce, relazioni fondamentali per la condensazione a film in regime laminare e turbolento; ebollizione ordinaria e sottoraffreddata, formazione delle bolle, perdite di pressione nei condotti per fluidi in ebollizione sottoraffreddata: metodo di Martinelli e Nelson, metodo di Thom, metodo di Martin-Lester-Chenovet, funzionamento e stabilità di un tubo bollitore. Irraggiamento: grandezze caratteristiche della radiazione termica, coefficienti di assorbimento, riflessione e trasparenza: corpi neri e corpi grigi, emissione radiativa dei corpi neri: legge di Lambert, legge di Stefan-Boltzmann, legge di Plank, legge di Wien; emissione radiativa dei corpi grigi, proprietà radiative dei corpi materiali, scambi termici per radiazione per i corpi neri e grigi: emissività e fattori di forma, legge di reciprocità tra fattori di forma. Acustica Acustica tecnica: celerità del suono, onde piane e sferiche suoni puri e suoni complessi, livelli sonori, livello di pressione ponderato, scale fonometriche, livelli equivalenti; trasmissione del suono: assorbimento, riflessione e riverberazione, potere fonoisolante; isolamento acustico, misura del rumore da traffico veicolare, il rumore prodotto dagli impianti tecnologici, audiogramma normale, fonometro. Acustica delle sale: comportamento ideale di una sala, distribuzione del livello sonoro, relazione di Sabine, tempo di riverberazione.
Illuminotecnica Definizioni principali: grandezze oggettive e soggettive, metodi di misura delle grandezze illuminotecniche, calcolo dell illuminamento tra superfici, illuminamento in un punto da superficie estesa, illuminamento da una sorgente lineare. Grandezze fotometriche di riferimento: flusso luminoso, emittenza luminosa, esposizione luminosa, fattore di assorbimento, fattore di riflessione e sorgenti luminose; lampade: lampade alogene, a luminescenza e ad incandescenza, a vapore di mercurio, a vapori di sodio ed a luce miscelata. TESTI DI RIFERIMENTO Testi consigliati 1. Luigi Cammarata : Termodinamica Generale 2. Luigi Cammarata : Termodinamica Applicata 3. Luigi Cammarata : Termocinetica (Fluidodinamica) 4. Luigi Cammarata : Termocinetica (Trasmissione del calore) 5. Luigi Cammarata : Termofluidodinamica (Gasdinamica s.t.s) 6. Luigi Cammarata : Elementi di Acustica (Appunti dalle lezioni) 7. Luigi Cammarata : Elementi di Illuminotecnica (Appunti dalle lezioni) MATERIALE DIDATTICO Appunti dalle lezioni