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Termodinamica applicata e trasmissione del calore

06IHQLZ

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/06 8 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale
2020/21
Nella formazione dell'ingegnere questo corso assume una funzione di cerniera tra le nozioni di base impartite nei corsi di Fisica del primo anno e quelle applicative degli insegnamenti successivi in cui scambi di forze e di energia tra fluidi e solidi giocano un ruolo essenziale. Nella prima parte del corso, di tipo metodologico e generale, ci si propone di far conoscere e illustrare agli allievi i fenomeni che permettono di correlare le modificazioni dei corpi materiali agli scambi mutui di energia in forma di calore e lavoro, le leggi fisiche che li governano con le relative rappresentazioni matematiche. Si descrivono quindi le principali tecnologie per la conversione di calore in energia meccanica e viceversa (motori e refrigeratori) ed i relativi metodi di calcolo. Per gli ingegneri aerospaziali, in particolare, il corso si propone di accostare i fondamenti fenomenologici e le metodologie tipiche della termodinamica applicata a quelli della meccanica dei fluidi, ponendo particolare attenzione al passaggio concettuale dal sistema termodinamico chiuso (visione lagrangiana) a quello di volume fisso di controllo. Si accompagna ciò con una descrizione fisica dei principali flussi base che possono essere sedi di scambi di calore. Nella seconda parte si approfondiscono dal punto di vista fenomenologico e di calcolo i meccanismi con i quali è possibile trasferire energia in forma di calore, la conduzione, la convezione e l'irraggiamento, e si approfondiscono, tra le applicazioni fondamentali, gli scambiatori di calore e le alettature di raffreddamento.
In the engineering education process this subject provides a matching between the fundamental knowledge imparted by the lectures of physics in the first year and the more applied contents of later subjects in which force balances and energy exchanges between solids and fluids play an essential role. The first part of the subject is general. It aims to illustrate the processes relating the modifications in the material properties to the reciprocal energy exchanges (either in the form of heat or work) and the governing physical laws to their mathematical representations. The main techniques for the conversion of heat into mechanical energy (engines and refrigerators) are then described together with the main related estimation methods. For the aerospace engineering students, in particular, a specific aim of this subject consists in filling the gap between the physical foundations of applied thermodynamics and those of fluid mechanics, while paying a special attention to the transition from the concept of a closed thermodynamic system (lagrangian framework) and that of a fixed control volume (eulerian framework). A physical description of the main basic flows which can host heat exchanges concludes this part. In the second part the processes underlying the different kinds of thermal energy transfer (conduction, convection and radiation) are investigated in depth from both the phenomenological and computational points of view. Finally, among the applications, the heat pipe exchangers and the cooling blades are illustrated.
Conoscenza dei principi della termodinamica; Conoscenza dei principali processi e cicli termodinamici; Conoscenza dei fondamenti della trasmissione del calore anche con riferimento al moto dei fluidi; Capacità di applicare i principi della termodinamica a sistemi semplici; Capacità di descrivere e comprendere i principali cicli termodinamici; Capacità di leggere i diagrammi termodinamici e saper individuare i meccanismi di trasmissione del calore significativi per un dato fenomeno. Al termine del corso lo studente, per quanto attiene alle questioni generali, sarà in grado di comprendere e di esprimere in modo quantitativo come i flussi di energia siano insieme causa ed effetto di tutte le trasformazioni che si constatano nel modo fisico, e come il calore si propaga nei solidi, nei liquidi e negli aeriformi o per onde elettromagnetiche. Per quanto attiene le conoscenze tecnologiche e peculiari dell'ingegnere, egli saprà distinguere gli elementi fondamentali per i principali dispositivi per la produzione di energia meccanica, motori a combustione interna e macchine a vapore, e per la refrigerazione, frigoriferi e pompe di calore, e per i più diffusi e importanti tipi di scambiatori di calore e svolgere calcoli di prima approssimazione.
As to the general knowledge, at the end of this subject the student should be able to understand and to provide quantitative estimations of the way energy flows are at the same time origin and effect of all transformations which can be observed in the physical world and of the way heat propagates in solids, liquids, gases or through electromagnetic waves. As to the typical technical engineering skills, the student will be able to identify the main elements of the principal plants used to generate mechanical energy (combustion engines, steam machines), to refrigerate or to condition (coolers, heat pumps) and to exchange heat by means of the most common and important devices. He will also able to perform first approximation computations.
E' necessario conoscere gli elementi dell'analisi matematica (calcolo differenziale e integrale, metodi di soluzione dei tipi più semplici di equazioni differenziali, algebra delle matrici), e avere frequentato i corsi di fisica e di chimica di base.
Elements of advanced mathematics are required (differential and integral calculus, solution of elementary differential equations, matrix algebra) plus the knowledge imparted during the basic physics and chemistry courses.
Definizione di grandezze e concetti fondamentali. Sistema e stato termodinamico; equilibrio, processi e trasformazioni. Temperatura, calore, lavoro. Primo principio. Enunciato generale. Energia interna ed entalpia, calori specifici, bilanci di energia. Secondo principio. Macchine termiche. Enunciato generale. Entropia, reversibilità e irreversibilità. Ciclo ideale di Carnot. Le sostanze pure. Superfici p-v-T e cambiamenti di stato, equazioni di stato dei gas, gas ideali, equazione di Clapeyron per il cambiamento di stato, soluzione approssimata di Clausius, proprietà delle miscele di liquido e vapore. Rappresentazioni lagrangiane ed euleriana del moto di un fluido. Le equazioni fondamentali per i sistemi continui: conservazione della massa, bilancio della quantità di moto e dell'energia meccanica, primo e secondo principio della termodinamica. Cicli ideali di macchine motrici e operatrici. Cicli di motori a gas: Otto, Diesel, Joule. Cicli a vapore: Rankine/Hirn. Cicli inversi a vapore. Introduzione alla trasmissione del calore. Conduzione, convezione e irraggiamento. Cenni alla termodinamica dei mezzi continui. La conduzione. Equazioni generali, integrali e differenziali. La legge di Fourier. Fenomenologia e conduttività termica. Applicazioni: Soluzione di problemi in regime stazionario monodimensionale, assialsimmetrico o a simmetria sferica. Transitori termici e problemi non stazionari a zero dimensioni nel limite per piccoli numeri di Biot. Superfici estese ed alette. La convezione. Proprietà dei fluidi. I tipi di deflusso. Strati limite delle velocità e delle temperature. Cenni alle modalità delle interazioni fluido-parete. La legge di Newton nella convezione. Convezione termica forzata e naturale nel deflusso interno ed esterno. Relazioni adimensionali. Il metodo delle analogie. Scambiatori di calore. Tipologie. Calcolo dell’andamento della temperatura dei fluidi. I metodi di dimensionamento della differenza di temperatura media logaritmica ed epsilon-NTU. Efficienza ed efficacia. Irraggiamento. Proprietà energetiche della radiazione elettromagnetica. La legge di Stefan-Boltzmann per i corpi neri, Interazione tra radiazione e superfici, coefficienti di assorbimento, riflessione e trasmissione. Corpi grigi. Emissività. Scambio di energia per irraggiamento tra corpi neri e grigi, fattori di forma e reti di resistenze equivalenti. Se per tutti gli allievi ingegneri questo corso assume una funzione di cerniera tra le nozioni di base impartite nei corsi di Fisica e quelle applicative degli insegnamenti successivi (in cui scambi di forze e di energia tra fluidi e solidi giocano un ruolo essenziale), per quelli aerospaziali in particolare il corso si propone anche l'obiettivo di accostare i fondamenti fenomenologici e le metodologie tipiche della termodinamica applicata a quelli della meccanica dei fluidi. A tal fine viene posta una particolare attenzione al passaggio concettuale dal sistema termodinamico chiuso (visione lagrangiana) a quello di volume fisso di controllo (visione euleriana). Si accompagna ciò ad una descrizione fisica dei principali flussi base che possono essere sedi di scambi di calore. Compatibilmente con questi obiettivi, in aggiunta a quanto sopra vengono approfonditi anche gli argomenti che seguono: Comprimibilità e dilatazione termica nei fluidi. Miscele di aeriformi. Miscele di gas e vapori: l’aria umida. Condizionamento termo-igrometrico dell’aria. Descrizione di alcuni flussi fondamentali: corrente uniforme che investe un cilindro indefinito; convezione naturale tra due pareti orizzontali; strato limite su una lamina piana; flusso in condotto a sezione costante; getti e scie; correnti di mescolamento. Statica dei fluidi: le leggi di Pascal e Stevino. La spinta aerostatica. Statica dell'atmosfera: le atmosfere tipo. Il gradiente di temperatura adiabatico e pseudo-adiabatico. L'atmosfera standard. Bilanci di massa, quantità di moto ed energia per moti unidimensionali e quasi-unidimensionali. Strato limite cinematico e termico: diffusione della quantità di moto e del calore in un fluido reale; il primo problema di Stokes e la genesi degli strati limite; analogia di Reynolds e convezione forzata. Esercizi svolti in aula sui temi trattati a lezione, in particolare: Calcolo di viscosità dinamiche e di forze d’attrito tra fluido e parete. Scambio termico conduttivo attraverso pareti composte. Calcoli su trasformazioni termodinamiche elementari e di velocità del suono. Calcolo del lavoro di una pompa idraulica. Calcolo del rendimento, della potenza e del consumo in un impianto di turbina a gas e in motori alternativi. Calcoli di concentrazioni volumetriche, ponderali ed assolute di miscele gassose. Temperature di ebollizione. Tabelle dei vapori. Calcoli di dimensionamento e prestazioni in un impianto a vapore per generazione di potenza. Ciclo frigorifero. Stime preliminari su un impianto di condizionamento. Trasformazioni termodinamiche dell’aria umida. Esercizi sui bilanci di massa: il barometro, il manometro, il tubo di Venturi, il sifone, l’eiettore a getto, la pompa a fluido, il tubo di Pitot. Bilanci di quantità di moto. Calcoli di dimensionamento e prestazioni su un impianto con turbina Pelton. Applicazioni dell’analogia di Reynolds. Scambi termici su pareti lisce ed alettate. Scambio radiativo tra pareti piane e sferiche. Temperatura di equilibrio radiativo. Esercizi su transitori termici. Calcolo delle prestazioni in scambiatori di calore a fluido.
Definition of fundamental concepts and quantities. Thermodynamic system and state; equilibrium, processes and transformations. Temperature, heat, work. First Law of Thermodynamics. General statement. Internal energy and enthalpy, specific heats, energy balances. Second Law. Thermal machines. General statement. Entropy, reversibility and irreversibility. Ideal Carnot cycle. Pure substances. p-v-T surfaces and changes of state, gas equations of state, ideal gases., Clapeyron equation for vapours, Clausius approximate solution, properties of liquid/vapour mixtures. Lagrangian and Eulerian representations of the motion of a fluid. Fundamental equations for continuous systems: conservation of mass and, balance equation of momentum and mechanical energy, relation to the First and Second Laws of Thermodynamics. Ideal cycles of prime movers and power consuming machines. Gas engine cycles: Otto, Diesel, Joule. Steam engine cycles: Rankine/Hirn. Reverse steam cycles. Introduction to heat transmission. Conduction, convection and radiation. Introduction to the thermodynamics of continuous media. Conduction. General, integral and differential equations. Fourier’s law. Phenomenology and thermal conductivity. Applications: Solving one-dimensional steady-state conduction in one-dimensional, axisymmetric and spherical symmety systems. Transients aunsteady problems in the limit for small Biot number. Extended surfaces and fins. Convection. Properties of fluids. Types of flow. Kinematic and thermal boundary layers. Introduction to fluid-wall interactions. Newton’s law in convection. Forced and natural convection in internal and external flow. Dimensionless relations. The method of analogies. Heat exchangers. Classification. Calculating fluid temperature curves. The logarithmic mean temperature difference and epsilon-NTU heat exchanger design methods. Efficiency and effectiveness. Radiation. Energy properties of electromagnetic radiation. Stefan-Blotzmann law. Characteristic quantities. Interaction between radiation and surfaces, coefficients of absorption, reflection and transmission. Gray bodies. Emissivity. Energy exchange by radiation between black and gray bodies, shape factors and equivalent resistor networks. For all engineering students, this course is the link between the basic concepts acquired in Physics courses and the application-oriented knowledge covered in subsequent courses (where exchanges of forces and energy between fluids and solids play an essential role). For aerospace engineering students in particular, the course also sets out to link the phenomenological fundamentals and methods typical of applied thermodynamics with those of fluid mechanics. To this end, particular emphasis will be given to the conceptual passage from the Lagrangian view of a closed thermodynamic system to the Eulerian view of a fixed control volume. This will be accompanied by a physical description of the main base flows where heat exchanges can take place. In line with these objectives, the following additional topics will also be discussed in depth: Compressibility and thermal expansion in fluids. Mixtures of aeriforms. Mixtures of gases and vapours: moist air. Air temperature and humidity conditioning. Description of several fundamental flows: uniform current striking an infinite cylinder; natural convection between two horizontal walls; boundary layer on a flat plate; flow in constant-section pipes and channels; jets and wakes; mixing currents. Fluid statics: Pascal’s law, Stevin’s law. The aerostatic force. Statics of atmosphere: model atmospheres. The adiabatic and pseudo-adiabatic lapse rate. The standard atmosphere. Representations of mass balances, momentum and energy through control volumes and systems for one-dimensional and quasi one-dimensional flows. Kinematic and thermal boundary layer: diffusion of momentum and heat in a real fluid; the first Stokes problem and boundary layer genesis; Reynolds analogy and forced convection. Classroom exercises dealing with the topics covered during lectures, including: Calculating dynamic viscosities and friction forces between fluid and wall. Conductive heat exchange across composite walls. Calculating elementary thermodynamic transformations and sound speeds. Calculating the work performed by a hydraulic pump. Calculating efficiency, power and consumption of gas turbine systems and alternative engines. Calculating volumetric, mass and absolute concentrations of gaseous species and air humidity. Boiling temperatures. Vapour tables. Design and performance calculations for a power-generating steam system. Refrigeration cycle. Preliminary estimates for a conditioning system. Thermodynamics transformations of humid air. Exercises with mass balances. The barometer, the manometer, the Venturi pipe, the siphon, the jet ejector and the fluid pump, the Pitot pipe. Momentum balances. Pelton turbine system design and performance calculations . Applications of the Reynolds analogy. Heat exchanges on smooth and finned walls. Radiative exchanges between flat and spherical walls. Radiative equilibrium temperature. Exercises of thermal transients. Fluid heat exchanger performance calculations.
Il corso è composto da 80 ore, di cui circa 55 ore di lezioni riguardanti aspetti teorici, e 25 ore di esercitazioni, in cui verranno approfonditi aspetti applicativi degli argomenti visti a lezione. Le esercitazioni comprendono lo svolgimento di esercizi di calcolo, l'utilizzo di Matlab, il supporto di video e visualizzazioni, al fine di facilitare la comprensione della materia. Verranno anche proposti esercizi da svolgere in autonomia da parte degli studenti (homework).
The course consists of 80 hours: about 55 hours of lectures dealing with theoretical aspects, and 25 hours of exercises and practical applications, related to the theoretical topics covered during lectures. Practicals include basic calculus exercise, Matlab applications, imaging and movie support, to improve the understanding of specific topics. Proposed exercises (homework) will be also offered, to be accomplished by the students on their own.
a) Testo/Note di riferimento per il corso: - G. Chiocchia, M. Germano, Termofluidodinamica, Levrotto & Bella, Torino 2012. - Appunti forniti dal docente (attraverso il portale della didattica) ad integrazione di teoria e applicazioni b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione: -- D.J. Tritton, Physical Fluid Dynamics, Clarendon Press, 1988 (rist.) -- M. W. Zemansky, Richard H. Dittman, Heat and thermodynamics: an intermediate textbook, McGraw-Hill (7th Edition), 1997 -- Y.A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill, New York, 2005. -- M. Calì, P. Gregorio, Termodinamica, Prog. Leonardo, Esculapio, Bologna, 2006 (rist.) -- E. Fermi, Termodinamica, Bollati-Boringhieri, Torino, 2007 (rist.).
a) Course textbook: - G. Chiocchia, M. Germano, Termofluidodinamica, Levrotto & Bella, Torino 2012. - Lecture notes given by the teacher (through the Polito Web page), as complement of lectures and practicals. b) Other suggested material: -- D.J. Tritton, Physical Fluid Dynamics, Clarendon Press, 1988 (reprint.) -- M. W. Zemansky, Richard H. Dittman, Heat and thermodynamics: an intermediate textbook, McGraw-Hill (7th Edition), 1997 -- Y.A. Çengel, Introduction to Thermodynamics and heat transfer, McGraw-Hill, New York, 2005. -- M. Calì, P. Gregorio, Termodinamica, Prog. Leonardo, Esculapio, Bologna, 2006 (reprint) -- E. Fermi, Thermodynamics, Dover, 2000 (reprint)
Modalità di esame: Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L'esame accerta l'acquisizione di conoscenze e abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta di 1 ora e mezza. Al fine di verificare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l’acquisizione dei fondamenti della Termodinamica e la capacità di comprensione nel risolvere problemi applicati, l'esame comprende sia quesiti a risposta multipla, sia domande o esercizi a risposta aperta (per gli esercizi si può chiedere di fornire procedimento e risultati numerici). A discrezione del docente, in alcuni appelli può essere ammesso l'uso di un formulario sintetico redatto dallo studente. Il voto è determinato dalle sole risposte corrette, con valutazione massima pari a 30 e lode.
Exam: Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
The exam quantifies the level of comprehension and the expected learning outcome through a written test lasting 1 hour and a half. To check the achievement of the expected outcomes, by verifying the level of theoretical comprehension and the ability in solving applied problems, the exam includes multiple-choice questions, open-ended questions and exercises (procedure/methodology and results can be required for open-ended exercises). At the instructor's discretion, the use of a summary form drawn up by the student may be allowed in some instances. The score is determined by the correct answers only and the maximum mark achievable is 30 cum laude.
Modalità di esame: Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L'esame accerta l'acquisizione di conoscenze e abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta di 1 ora e mezza. Al fine di verificare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l’acquisizione dei fondamenti della Termodinamica e la capacità di comprensione nel risolvere problemi applicati, l'esame comprende sia quesiti a risposta multipla, sia domande o esercizi a risposta aperta (per gli esercizi si può chiedere di fornire procedimento e risultati numerici). A discrezione del docente, in alcuni appelli può essere ammesso l'uso di un formulario sintetico redatto dallo studente. Il voto è determinato dalle sole risposte corrette, con valutazione massima pari a 30 e lode.
Exam: Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
The exam quantifies the level of comprehension and the expected learning outcome through a written test lasting 1 hour and a half. To check the achievement of the expected outcomes, by verifying the level of theoretical comprehension and the ability in solving applied problems, the exam includes multiple-choice questions, open-ended questions and exercises (procedure/methodology and results can be required for open-ended exercises). At the instructor's discretion, the use of a summary form drawn up by the student may be allowed in some instances. The score is determined by the correct answers only and the maximum mark achievable is 30 cum laude.


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