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Insegnamento: Termodinamica applicata e trasmissione del calore (Offerta Formativa a.a. 2017/2018)

Corso di studio: INGEGNERIA MECCATRONICA (D.M.270/04)

CFU6
Moduli

Modulo: Termodinamica applicata e trasmissione del calore
TAF: Affine/Integrativa; SSD: ING-IND/10; Ambito: Attività formative affini o integrative
Docenti: Diego ANGELI

Materiale Didattico Accedi al materiale didattico su Dolly
Propedeuticità obbligatorie
Modalità di accertamento del profitto Orale
Modalità di valutazione Voto
Esse3 Accedi ai dati dell'insegnamento su Esse3
Lingua di insegnamento

Italiano

Partizionamento studenti

Nessun partizionamento

Obiettivi

Il corso intende fornire le conoscenze di base sulla termodinamica classica, sulla applicazione dei principi della termodinamica a processi di conversione dell'energia e di condizionamento dell'aria, sulle modalità di trasmissione del calore e sulla rappresentazione semplificata di processi reali di scambio termico. Intende inoltre fornire la capacità di analizzare i processi sopra menzionati, al fine di determinarne l'efficienza e/o di effettuarne un dimensionamento di massima.


Più in particolare gli obiettivi di apprendimento attesi a seguito del completamento del corso e superamento del relativo esame sono, con riferimento ai descrittori di Dublino, i seguenti:



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 vapor 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 analizzare e determinare le proprietà di sostanze pure utilizzando tecniche analitiche


8. Capacità di analizzare trasformazioni e cicli termodinamici utilizzando tecniche analitiche


9. Capacità di analizzare processi di scambio termico in sistemi reali utilizzando tecniche analitiche

Prerequisiti

Analisi Matematica I: Concetti fondamentali dell'Analisi. Limiti, derivate ed integrali. Studi di funzione. Nozioni elementari di Matematica, Algebra e Geometria (trigonometria, logaritmi, equazioni algebriche, etc.)
Analisi Matematica II: Serie e sviluppi in serie. Derivate parziali. Integrali multipli. Nozioni di base sulle equazioni differenziali.
Fisica Generale: Concetti e grandezze fondamentali della Meccanica: forza, lavoro, energia potenza; quantità di moto, energia cinetica, etc.
Unità di misura e loro utilizzo nei calcoli, con particolare riguardo ai diversi sistemi di unità di misura e alle conversioni fra sistemi. Leggi fondamentali della Meccanica.

Contenuti

Termodinamica generale
1. Principali definizioni: sistemi, processi, trasformazioni, proprietà, unità di misura e dimensioni.
2. Primo principio della termodinamica: energia, lavoro, calore; primo principio; energia interna, entalpia, calore specifico; bilancio energetico per sistemi chiusi; bilanci di massa ed energia per sistemi aperti.
3. Secondo principio della termodinamica: macchine termiche; enunciati del secondo principio; reversibilità e irreversibilità; teorema di Carnot, efficienza e coefficiente di effetto utile; scala termodinamica delle temperature; disuguaglianza di Clausius; entropia e teorema dell’aumento di entropia; rendimento termodinamico; equazione di bilancio dell'entropia per sistemi aperti.
4. Sistemi semplici monocomponenti: stato di una sostanza pura; cambiamenti di fase; diagrammi di stato; liquidi; vapori saturi e surriscaldati; gas reali; gas ideali; diagrammi termodinamici.

Termodinamica applicata
5. Cicli a vapore: analisi ai volumi di controllo di componenti di impianto; cicli di Carnot, Rankine; ciclo frigorifero; pompe di calore.
Cicli a gas: ciclo di Carnot; cicli rigenerativi (Stirling, Ericson); cicli a combustione interna (Otto, Diesel, Brayton).
6. Miscele di aria e vapore d'acqua: proprietà delle miscele di aria e vapore d’acqua; diagramma psicrometrico e trasformazioni.

Trasmissione del Calore
7. Conduzione: legge di Fourier; equazione di Fourier; conduzione stazionaria in strato piano e cilindrico; analogia elettrotermica; conduzione con generazione di calore.
Convezione: convezione naturale, forzata, mista; legge di Newton del raffreddamento; cenni di termofluidodinamica, strati limite; numeri adimensionali; determinazione del coefficiente di scambio termico per varie tipologie di flusso.
Irraggiamento: definizioni; leggi della radiazione di corpo nero; proprietà radiative delle superfici reali.
8. Processi combinati di scambio termico: isolamenti termici; scambiatori di calore.

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni teoriche ed esercitazioni dedicate alla soluzione di esercizi con metodi analitici.

Verifica dell'apprendimento

L'esame prevede: 1. Una prova scritta volta a verificare il conseguimento, da parte degli studenti, degli obiettivi di apprendimento 7-9. A tale scopo la prova scritta prevede la risoluzione con tecniche analitiche di tre brevi esercizi di analisi rispettivamente sui seguenti argomenti: Ex1) proprietà e trasformazioni di sostanze pure Ex2) processi di conversione dell'energia (cicli a vapore, cicli a gas, cicli frigoriferi) e di condizionamento termoigrometrico di miscele d'aria e vapor d'acqua Ex3) modalità e processi di trasmissione del calore. La prova scritta dura 1.5 ore. La soglia per il superamento dell'esame scritto e per l'accesso al successivo esame orale è fissata a 18/30. 2. Una prova orale volta a verificare il conseguimento da parte dello studente degli obiettivi di apprendimento 1-6. Durante la prova orale vengono rivolte allo studente 3 domande così distribuite: D1) Termodinamica generale D2) Termodinamica applicata D3) Trasmissione del calore La soglia per il superamento del solo esame orale è fissata a 18/30. Il voto è il risultato della media pesata delle valutazioni delle due componenti 1-2 dell'esame con i seguenti pesi: - Prova scritta: 40% - Prova orale: 60%

Risultati attesi

Si rimanda alla voce "Obiettivi"

Testi

- Dispense ed esercizi curati dal docente

- M.J. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, Elementi di fisica tecnica per l’ingegneria (McGraw-Hill)

- Y.A. Cengel, Termodinamica e trasmissione del calore (McGraw-Hill)

- Alessandro Cocchi, Elementi di Termofisica Generale e Applicata (Società Editrice Esculapio Bologna)

- M. W. Zemansky, Calore e Termodinamica (Zanichelli, Bologna)

- E. Fermi, Termodinamica (Bollati Boringhieri, Torino)

- D. Kondepudi, I. Prigogine, Introduction to Modern Thermodynamics (John Wiley and sons)

- F. Incropera, D.P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer (John Wiley and sons)

- A. Dumas e S. Mazzacane, Elementi di Termodinamica (Società Editrice Esculapio Bologna)

- A. Dumas, Elementi di fluidodinamica e termocinetica (Esculapio Edizioni Bologna)

Docenti

Diego ANGELI