Biomedical Engineering - Fisica Tecnica

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Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione COMPITO di FISICA TECNICA Corso di Studi in Ingegneria biomedica Prof. G. Dubini – Prof. D. Gastaldi – Prof. F. Migliavacca a.a. 2019-2020 Appello del 14 luglio 2020 Il tempo complessivamente a disposizione degli studenti è di 1h 30min. È possibile ritirarsi in qualsiasi momento durante la prova. Non possono essere consultati né libri né appunti né tabelle, eccetto quelle eventualmente fornite con il testo. Tutti i risultati devono essere espressi in unità S.I. e relativi multipli/sottomultipli. Il punteggio massimo è di 32/30 e viene assegnato in parti uguali allo svolgimento formale e a quello numerico. N.B.: Costanti di frequente impiego: R u = 8314 J/(kmol·K) σ = 5.67×10 -8 W/(m 2·K 4) Problema #1 (7 punti) Una massa di 2 kg di acqua liquida (considerata come liquido incomprimibile ideale) si trova inizialmente alla temperatura di 20 °C e alla pressione di 0,1 MPa. Mediante un opportuno processo, la massa di acqua viene portata alla temperatura di 75 °C e alla pressione di 15 bar. Determinare le variazioni di energia interna, di entalpia e di entropia dell’acqua al termine del processo. Proprietà termofisiche (medie) dell’acqua: c = 4,180 kJ/(kg·K), ρ = 986 kg/m 3. [459,80 kJ; 462,64 kJ; 1,437 kJ/K] Problema #2 (9 punti) L’impianto di cogenerazione di un ospedale utilizza la combustione di metano alla temperatura 1500 °C per la produzione simultanea di energia elettrica e di energia termica. I gas di scarico generati per la produzione dell’energia elettrica si trovano alla temperatura di 560 °C e sono utilizzati per produrre acqua calda sanitaria e vapore. Sapendo che l’impianto di cogenerazione assorbe una potenza termica di 40 MW e che produce una potenza meccanica di 15 MW, calcolare il rendimento dell’impianto. Supponendo poi che tutto il calore estratto dai gas di scarico sia utilizzato per produrre acqua calda sanitaria alla temperatura di 80 °C a partire da acqua a 10 °C, determinare la portata di acqua calda sanitaria trattabile dall’impianto. Proprietà termofisiche (medie) dell’acqua: c = 4,180 kJ/(kg·K), ρ = 998 kg/m 3. [ηreale = 0,375; portata acqua calda sanitaria = 85,44 kg/s] Problema #3 (8 punti) Si consideri un paziente posto sul letto di una sala operatoria. Le dimensioni della sala operatoria sono: 6 m × 6 m in pianta, altezza 3 m; la temperatura delle pareti e dell’aria è di 20 °C. Supponendo di schematizzare il corpo del paziente come un emicilindro di raggio R = 0,15 m e lunghezza L = 1,80 m avente temperatura superficiale di 35 °C, assumendo un coefficiente di scambio termico convettivo tra superficie corporea del paziente e aria di 15 W/(m 2·K) e una emissività della pelle del paziente pari a 0,98, calcolare la potenza termica complessivamente dispersa dal paziente. [Q conv = 190,85 W; Q rad = 76,90 W]