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Termodinamica applicata e trasmissione del calore

06IHQMA

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 54
Esercitazioni in aula 26
Tutoraggio 21
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Giaretto Valter - Corso 1 Professore Ordinario ING-IND/10 54 26 0 10.5 16
Lucia Umberto - Corso 2 Professore Associato ING-IND/10 54 52 0 0 6
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 8 B - Caratterizzanti Ingegneria meccanica
2018/19
L'insegnamento è diviso in due parti, in ognuna delle quali si trattano prima i metodi e le questioni di carattere generale e quindi le applicazioni. Nella prima parte gli studenti sono guidati a comprendere come i cambiamenti nei corpi materiali siano legati e determinati dagli scambi di energia con altri corpi in forma di calore e lavoro. Si introducono le definizioni e i concetti fondamentali, le leggi fenomenologiche, i principi generali che governano questi fenomeni insieme con le loro rappresentazioni matematiche e i modelli comportamentali delle sostanze pure e sotto forma di miscele. Successivamente si descrivono le principali tecnologie per la conversione di calore in lavoro e viceversa nei motori e nelle macchine frigorifere insieme ai relativi metodi di calcolo. Nella seconda parte si sviluppa dal punto di vista fenomenologico e dei calcoli l'analisi dei meccanismi attraverso i quali si trasferisce l'energia nello spazio e nel tempo come la conduzione di calore, la convezione e la radiazione. Tra le applicazioni si studiano dispositivi di largo impiego nel campo ingegneristico.
The course is developed in two basic topics, where the general approach and the fundamental are presented. In the first part, students learn how changes in material bodies are related to energy as heat and work. Definitions and bases, the phenomenological laws, the general principles that govern these phenomena, together with their mathematical representations, and behavioral patterns of the pure substances and as mixtures are presented. The main technologies of the conversion of heat into work and vice versa, related to engines and refrigeration equipment, are presented, with particular regards to the numerical evaluation of the physical quantities. In the second part, the phenomenological viewpoint and the analytical one of the mechanisms of heat transfer are treated: heat conduction, convection and radiation. Applications to engineering fields, with particular interest for the bioengineering, are presented.
Al termine dell'insegnamento 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 si propaghino nello spazio e nel tempo in forma di calore per conduzione nei solidi, convezione nei liquidi e negli aeriformi e per onde elettromagnetiche nei mezzi trasparenti. Per quanto attiene le conoscenze tecnologiche e peculiari dell'ingegnere, egli saprà distinguere gli elementi fondamentali e calcolare le prestazioni fondamentali dei principali dispositivi per la produzione di energia meccanica e per la refrigerazione, analizzare a calcolare gli scambi termici per conduzione, convezione e irraggiamento attraverso vari dispositivi e procedere allo svolgimento dei calcoli di prima approssimazione per il loro dimensionamento.
Students are required to be able to understand and evaluate how the flows of energy are cause and effect of all the changes, processes and transformations of the physical world, and how heat is transferred by transport phenomena by conduction in solids, convection in liquids and in gasses. The heat transfer by electromagnetic waves is analyzed, too. In relation to the technologies, students are required to highlight the fundamental devices and evaluate their performances, with particular regards to mechanical energy and cooling, to the evaluation of the heat transfer by the thermal exchanges by conduction, convection and radiation by using different devices.
E' necessario conoscere elementi di analisi matematica (calcolo differenziale e integrale, metodi di soluzione dei tipi più semplici di equazioni differenziali ordinarie e alle derivate parziali), fisica (meccanica, dinamica, statica dei fluidi, elettromagnetismo, fisica della materia) e di chimica di base.
Basic mathematical analysis (differential and integral calculus, methods of solution of the simple ordinary differential equations, and partial differential equations), basic physical knowledge (mechanics, dynamics, statics of fluid, electromagnetism, physics of matter) and basic chemistry.
TERMODINAMICA APPLICATA (54 h) Definizione di grandezze e concetti fondamentali: sistema e stato termodinamico, temperatura, calore, lavoro. Primo principio: enunciato generale, energia interna. Secondo principio: enunciato generale, macchine termiche, il teorema di Carnot, temperatura termodinamica, entropia, reversibilità e irreversibilità. Sistemi a deflusso: definizioni e rappresentazioni, equazioni fondamentali per i sistemi a deflusso, entalpia, calori specifici e bilanci di energia. L'equazione dell'energia cinetica e il teorema di Bernoulli. Proprietà di corpi omogenei, comportamento delle sostanze, relazioni termodinamiche generali e trasformazioni fondamentali, comprimibilità isoterma e adiabatica. Le sostanze pure: cambiamenti di stato, equazione di Clapeyron per i vapori, proprietà delle miscele di liquido e vapore. Equazioni di stato per gas ideali e reali; miscele ideali di gas ideali. Psicrometria: grandezze e trasformazioni psicrometriche di sostanze umide. Concetto di macchina motrice e operatrice, cenni sui cicli dei motori a gas e a vapore. Dispositivi e cicli inversi a semplice e multipla compressione di vapore. TRASMISSIONE DEL CALORE (27 h) Introduzione ai modi di trasmissione del calore. La conduzione: Equazione generale. La legge di Fourier. Fenomenologia e conduttività termica. Conduzione stazionaria monodimensionale. Conduzione non stazionaria in un sistema a resistenza interna trascurabile. La convezione forzata e libera: la legge di Newton nella convezione. Strati limite delle velocità e delle temperature nel deflusso interno ed esterno. I principali numeri adimensionali e le principali correlazioni. Scambiatori di calore: tipologie e grado di compattezza e metodi di dimensionamento. Irraggiamento: grandezze caratteristiche e interazione con le superfici. Il corpo nero e corpi grigi. Emissività. Scambio di energia per irraggiamento e fattori di forma.
APPLIED THERMODYNAMICS (54 h) Basic knowledge of fundamental quantities: system, thermodynamic state, temperature, heat, and work. First law: general statement, internal energy. Second law: general statements, thermal engines, the Carnot’s theorem, thermodynamic temperature, entropy, reversibility and irreversibility. Flowing systems: fundamental equations, enthalpy, specific heat and energy balance. Kinetic energy equation and Bernoulli theorem. Homogeneous bodies properties, behaviour of substances, general thermodynamic relations and fundamental transformations, isothermal and adiabatic compressibility. Pure substances: state changes, Clapeyron equation for vapour, two-phase mixtures. Equations of steat, ideal gasses, Psychrometry: psychrometric quantities and transformations of a wet substance. Introduction to reference cycles for gas and vapour engines. Devices and inverse cycles with single and multi-stage vapour compression. HEAT TRANSFER (27 h) Heat transfer phenomena. Conduction: general equation. The Fourier’s law. Thermal conductivity. Steady state and transient phenomena. The Newton’s law for convection. Velocity and temperature boundary layers in external, internal flows. Dimensionless numbers approach and analytical relations. Heat exchangers: typologies and design methods. Radiative phenomena: black and grey bodies. Analytical approaches.
Gli argomenti del corso vengono trattati attraverso delle lezioni che forniscono i fondamenti teorici della materia. Sono poi previste delle esercitazioni nelle quali si analizzano dei casi applicativi inerenti i principali argomenti della teoria, e per i quali si sviluppano le soluzioni numeriche.
Theoretical lessons provide fundamental approaches and methods of the course topics. Numerical exercises are developed in order to improve the theoretical knowledge and the analysis of the engineering applications.
Testi di riferimento per il corso - Giaretto V., LEZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Ed., Torino. - Giaretto V., ESERCITAZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA, Clut Ed., Torino. Testi consigliati per approfondimenti - Calì M., Gregorio P., TERMODINAMICA, Esculapio Ed., Bologna Ed. in un volume unico - Cavallini A., Mattarolo L., TERMODINAMICA APPLICATA, Cleup Ed., Padova. - Cavallini A., Bonacina C., Mattarolo L., TRASMISSIONE DEL CALORE, Cleup Ed., Padova. - Guglielmini G., Pisoni C., INTRODUZIONE ALLA TRASMISSIONE DEL CALORE, Casa Editrice Ambrosiana. - Torchio M.F., TABELLE DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE. Clut Ed., Torino.
Textbooks - Giaretto V., LEZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Ed., Torino. - Giaretto V., ESERCITAZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA, Clut Ed., Torino. Further readings - Calì M., Gregorio P., TERMODINAMICA, Esculapio Ed., Bologna Ed. in un volume unico - Cavallini A., Mattarolo L., TERMODINAMICA APPLICATA, Cleup Ed., Padova. - Cavallini A., Bonacina C., Mattarolo L., TRASMISSIONE DEL CALORE, Cleup Ed., Padova. - Guglielmini G., Pisoni C., INTRODUZIONE ALLA TRASMISSIONE DEL CALORE, Casa Editrice Ambrosiana. - Torchio M.F., TABELLE DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE. Clut Ed., Torino.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova orale facoltativa;
L'esame è costituito da una prova scritta in cui si richiede di risolvere esercizi numerici e da un eventuale colloquio da svolgersi nel medesimo appello. Per accedere al colloquio è necessario il superamento di una soglia minima nella prova scritta. Le informazioni di dettaglio sulle modalità d’esame saranno fornite all’inizio del corso.
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Optional oral exam;
The exam consists of a written test with numerical exercises. It is possible to attend also an oral test during the same examination term. It is required to exceed a threshold to attend the oral exam. Further information and details know provided at the beginning of the course.


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