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Scienza e tecnologia dei materiali per l'ingegneria energetica

01UTHMK

A.A. 2020/21

2020/21

Scienza e tecnologia dei materiali per l'ingegneria energetica

I materiali rivestono un ruolo di grande rilievo nella progettazione e l'insegnamento di Scienza e Tecnologia dei Materiali si propone di fornire una cultura ingegneristica di base sui materiali, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione del materiale, sottolineando quindi le potenzialità di progettazione con materiali tradizionali ed innovativi attraverso un controllo delle loro caratteristiche microstrutturali. L’insegnamento si propone di approfondire con particolare attenzione gli aspetti legati alle applicazioni dei materiali nell’ingegneria energetica. A questo scopo sono previste specifiche lezioni, in forma di seminari, finalizzate alla comprensione di alcuni aspetti legati alla conversione e l’impiego dell’energia.

Scienza e tecnologia dei materiali per l'ingegneria energetica

Materials play a crucial role in engineering design and the module on Materials Science and Technology is aimed to supply the student with an engineering background on materials, emphasizing the relationships among materials structure, microstructure and performances and, consequently, the potentialities of engineering design able to exploit traditional and innovative materials through the tailoring of their microstructure. The course aims to study in detail the aspects related to the applications of materials in energy engineering. For this purpose, specific lessons are provided in order to allow the student understanding some of the aspects related to the conversion and use of energy.

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L'insegnamento si propone l'obiettivo generale di fornire allo studente una formazione di base sui materiali capace di coniugare sinergicamente aspetti scientifici ad aspetti tecnologici, fornendo linee-guida per la traduzione di conoscenze di base in strumenti sfruttabili nella progettazione. Quindi al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere la dipendenza delle proprietà macroscopiche dei materiali da aspetti di livello atomico e microstrutturale (area delle conoscenze) - conoscere la possibilità di applicare queste conoscenze di base al controllo delle proprietà del materiale, per renderle più adatte alla specifica applicazione (area delle conoscenze); - avere consapevolezza dell'importanza della selezione dei materiali in modo che essi rispondano adeguatamente ai requisiti di progetto (area della comprensione); - essere in grado di comprendere i meccanismi di scambio termico e il ruolo dei materiali nelle trasformazioni energetiche; -essere in grado di risolvere esercizi di calcolo relativi alla combustione (area delle abilità e delle conoscenze)

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The overall aim of the course is to supply the student with a robust background in materials, able to couple scientific and technological knowledge in a synergic way, providing general guidelines for translating scientific knowledge into technological tools for engineering design. The student will learn: - the relation between macroscopic and microscopic (at atomic level) properties of materials (area of know how); - how to exploit this scientific background in controlling the material properties up to the tailoring of materials application (area of know how); - how to select materials to fulfil design requirements (area of comprehension) - how the mechanisms of heat transfer work and the role of materials in the energy conversions; - how to solve exercises related to industrial combustion (area of skills and know-how)

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Lo studente deve possedere una cultura scientifica solida, con particolare riferimento a conoscenze di base nel settore della Chimica, Fisica e Analisi matematica.

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The student should have a consolidated scientific background with special emphasis on Chemistry, Physics and Mathematical Analysis

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Seminari relativi a concetti generali ed esempi applicativi dei materiali nell’ingegneria energetica: la trasmissione del calore e i suoi meccanismi; sistemi a combustione; sistemi fotovoltaici; impianti eolici. Struttura dei materiali cristallini e amorfi (richiami al corso di Chimica). Classificazione dei materiali. Difetti reticolari, costituenti microstrutturali dei materiali (soluzioni solide interstiziali e sostituzionali, fasi intermedie). Diffusione allo stato solido, nucleazione e crescita. Trasformazioni in condizioni di equilibrio e relativi diagrammi di stato (fusione/solidificazione), lettura e interpretazione; fondamenti dei trattamenti termici (in particolare per le leghe Fe-C), raffreddamento di non equilibrio, evoluzione microstrutturale e conseguenze sulle proprietà. Comportamento elastico e plastico dei materiali e correlazione alla struttura dei materiali. Proprietà meccaniche dei materiali. Metodi di rafforzamento dei materiali metallici. Proprietà termiche dei materiali. Refrattari. Isolanti termici. Vetri di sicurezza e vetri speciali per il risparmio energetico. Proprietà elettriche (materiali conduttori, semiconduttori e piezoelettrici) e ottiche dei materiali. Combustione industriale (potere calorifico; aria teorica di combustione, volume e composizione dei fumi, temperatura teorica di combustione, perdita al camino, potenziale termico).

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Seminars on fundamentals and application of materials to the energy engineering: heat transfer and its mechanisms; combustion systems; photovoltaic panels; wind turbines. Structure of crystalline and amorphous material. Classification of materials. Lattice defects (point, line and surface defects). Microstructure of materials (solid-state solutions, intermediate phases). Solid-state diffusion, nucleation and growth. Equilibrium transformations and phase diagrams. Mechanical properties of materials: correlation structure-elastic behaviour of the materials. Correlation structure-plastic behaviour of materials and methods of materials strengthening. Thermal properties of materials. Refractory materials. Thermal insulators. Special glasses for energy saving. Electrical properties of materials (electrical conductors, semiconductors and piezoelectrics). Optical properties of materials. Combustion (i.e. heat of combustion, theoretical air, composition of smoke, flame temperature)

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10 ore dell’insegnamento saranno dedicate all’introduzione di alcuni aspetti della fisica tecnica che costituiscono la base per la comprensione del ruolo svolto dai materiali nei meccanismi di conversione, trasporto e impiego dell’energia. Alcune ore saranno dedicate a esercitazioni numeriche sulle proprietà meccaniche e termiche dei materiali, alla lettura e interpretazione di specifici diagrammi di stato binari e sulla combustione.

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10 hours of teaching will be dedicated to the introduction of some of the aspects related to thermodynamics and heat transfer which form the basis for understanding the role played by materials in the mechanisms of energy conversion, transport and use. Part of the teaching activity will be devoted to numerical exercises related to mechanical and thermal properties and combustion. Reading of specific phase diagrams will be carried out.

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W.D. Callister, Scienza e ingegneria dei Materiali; un Introduzione, EdiSes, Napoli Verrà fornita copia dei lucidi proiettati a lezione (download dal portale della didattica)

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W.D. Callister, Scienza e ingegneria dei Materiali; un Introduzione, EdiSes, Napoli Pdf files of the slides shown during the lessons will be available at the student individual page.

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Modalità di esame: Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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L’esame scritto erogato tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus) avrà la stessa struttura dell’esame in presenza. 3 ESERCIZI NUMERICI (1 sulle proprietà meccaniche o termiche; 1 sui DDS; 1 sui combustibili), 4 DOMANDE APERTE. UN PUNTEGGIO TOTALE ALLE 3 DOMANDE CON * INFERIORE A 8/15 IMPLICA L’INSUFFICIENZA DI TUTTO IL COMPITO. Durata 120 min. Non è possibile consultare testi o appunti. Gli esercizi numerici dovranno essere fotografati con la telecamera (FUNZIONE SCATTA UNA FOTO) e inseriti nella risposta durante l’esecuzione dell’esame; dopo la fine dell’esame (entro e non oltre 15 minuti) lo studente dovrà caricare le scansioni degli esercizi nella sezione ELABORATI della pagina del corso Ad esclusiva discrezione del docente, potrà essere richiesto un eventuale orale integrativo, secondo le medesime modalità dello scritto, che si terrà in orario da concordare nel giorno in cui verranno esposti i risultati dello scritto.

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Exam: Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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3 exercises (1 on mechanical or thermal properties; 1 on phase diagrams; 1 on combustion), 4 questions on theoretical aspects. Text or notes are not allowed during the exam. The exam lasts 120 min. A total mark < 8/15 for the 3 questions/exercises identified with an "*" corresponds to a failure of the exam At the sole discretion of the teacher, the student can be asked to take an additional oral exam

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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3 ESERCIZI NUMERICI (1 sulle proprietà meccaniche o termiche; 1 sui DDS; 1 sui combustibili), 4 DOMANDE APERTE. UN PUNTEGGIO TOTALE ALLE 3 DOMANDE CON * INFERIORE A 8/15 IMPLICA L’INSUFFICIENZA DI TUTTO IL COMPITO. Durata 120 min. Non è possibile consultare testi o appunti. Per l'esame in remoto: gli esercizi numerici dovranno essere fotografati con la telecamera (FUNZIONE SCATTA UNA FOTO) e inseriti nella risposta durante l’esecuzione dell’esame; dopo la fine dell’esame (entro e non oltre 15 minuti) lo studente dovrà caricare le scansioni degli esercizi nella sezione ELABORATI della pagina del corso. Ad esclusiva discrezione del docente, potrà essere richiesto un eventuale orale integrativo, secondo le medesime modalità dello scritto, che si terrà in orario da concordare nel giorno in cui verranno esposti i risultati dello scritto

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Exam: Written test; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Scienza e tecnologia dei materiali per l'ingegneria energetica

3 exercises (1 on mechanical or thermal properties; 1 on phase diagrams; 1 on combustion), 4 questions on theoretical aspects. Text or notes are not allowed during the exam. The exam lasts 120 min A total mark < 8/15 for the 3 questions/exercises identified with an "*" corresponds to a failure of the exam For the online exam: at the sole discretion of the teacher, the student can be asked to take an additional oral exam

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