Fisica Tecnica

Synthetic program:

Fornire i fondamenti della ingegneria termodinamica e le conoscenze di base della trasmissione del calore finalizzati alla risoluzione di problemi non complessi, connessi all'analisi di processi termo-fluidodinamici e di sistemi energetici. Argomenti principali: principi della termodinamica, energia interna, energia disponibile, entropia; entalpia, energia libera di Gibbs; relazioni di Maxwell; calori specifici, coefficienti volumetrici, equazioni di stato; sistemi eterogenei; termodinamica dei processi: volume di controllo, equazioni di bilancio di massa, energia ed entropia, componenti notevoli di impianto (turbine, compressori, pompe, ugelli e diffusori), classificazione dei sistemi di conversione, cicli diretti (Otto, Diesel, Brayton, Rankine) e cicli inversi (a gas e a vapore). Meccanismi di scambio termico, equazione di Fourier per geometria monodimensionale piana e cilindrica, resistenze termiche e reti elettriche equivalenti; superfici alettate; conduzione in regime variabile col modello dei parametri concentrati; convezione forzata in condotti e all'esterno di superfici e gruppi adimensionali caratteristici; scambiatori di calore; radiazione termica, corpo nero, superfici grigie, scambio termico radiativo.

1. Principi della termodinamica. Sistemi, stati e proprietà. Interazioni, pareti e processi; processi meccanici, spontanei, reversibili. Primo principio della termodinamica: energia interna. Tipi di stato. Secondo principio della termodina­mica: disponibilità adiabatica, energia disponibile ed entropia. Non decrescita dell’entropia; bilancio di entropia. Condizioni per l’equilibrio: temperatura, pressione, potenziale di massa. Diagramma Energia-Entropia. Processi quasi statici. Lavoro e calore nei processi quasi statici.

2. Introduzione al calcolo delle proprietà delle sostanze. Gradi termodinamici di libertà; potenziali termodinamici; relazioni di Maxwell; calori specifici e coefficienti volumetrici; derivazione delle equa­zioni di stato e di rela­zioni notevoli; stabilità intrinseca. Sistemi omogenei: gas ideali, calori specifici e struttura microscopica; liquidi e solidi incomprimibili; introduzione ai gas reali; miscele di gas, pressione parziale, miscele ideali. Sistemi eterogenei: fasi, regola delle fasi, transizioni di fase; equazione di Clapeyron-Clausius; punti triplo e critico; diagrammi di stato.

3. Termodinamica dei processi. Volume di controllo; equazioni globali di bilancio di massa, energia ed entropia; lavoro tecnico. Analisi di componenti notevoli di impianto: turbine, compressori, pompe; miscelatori e scam­biatori di calore; valvole; ugelli e diffusori. Flusso di energia di­sponibile, analisi energetica di macchine motrici e operatrici. Cicli termodinamici: classificazione, caratteristiche generali, rendimento. Cicli stan­dard ad aria (diretti): Otto, Diesel; Joule-Brayton per impianti fissi e turbogetti, introdu­zione alla rigenerazione e alla post-combustione. Cicli a vapore: ciclo Rankine. Cicli inversi: efficienza, cicli a gas (Brayton, Stirling) e a compressione di vapore. Aria umida: grandezze psicrometriche e trasformazioni elementari.

4. Introduzione alla trasmissione del calore e conduzione. Meccanismi di trasporto dell’energia. Similitudine e analisi dimensionale. Condu­zione: legge di Fourier e conduttività termica, equazione della diffu­sione termica. Conduzione in regime staziona­rio: geometria monodimensionale piana, cilindrica e sferica; resistenze termiche e reti elettriche equiva­lenti; alette: equazione della conduzione, efficienza ed efficacia. Conduzione in re­gime variabile: approssimazione a parametri concentrati, il numero di Biot; cenni al caso di mezzo semi infi­nito.

5. Convezione. Caratteristiche. Convezione forzata all’esterno di superfici e all’interno di condotti: fe­nomenologia, numeri adimensionali di Reynolds, Nusselt, Prandtl, e uso di correlazioni adimensionali. Temperatura di mi­scelamento adiabatico e suo andamento lungo un condotto; differenza media logaritmica di temperatura. Introdu­zione alla con­vezione naturale, numeri adimensionali di Grashof e Rayleigh. Scambiatori di calore: classificazione, andamento delle temperature negli scambiatori equicorrente e controcorrente; potenza massima ed efficienza.

6. Irraggiamento. Radiazione termica: natura, intensità di radiazione e grandezze caratteristiche monocromatiche e totali. Corpo nero: proprietà e leggi caratteristiche, emissione di banda. Superfici reali: emissività, superfici diffuse, grigie e selettive; coefficienti di riflessione, assorbimento e trasmissione, superfici semitrasparenti (cenni all’effetto serra); relazione fra emissione e assorbimento (teorema di Kirchhoff), radiatori. Scambio termico radiativo tra superfici grigie e diffuse: fattore di vista e sue proprietà, calcolo della potenza termica netta irraggiata tra due superfici grigie.