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.

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.

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.

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 i vapori, proprietà delle miscele di liquido e vapore.
Sistemi aperti o a deflusso. Definizioni. Rappresentazioni lagrangiane ed euleriana. Le equazioni fondamentali per i sistemi aperti: conservazione della massa 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, Stirling. Cicli di motori a vapore: Rankine e Hirn. Cicli inversi a vapore.
Introduzione ai modi di 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 e transitorio a zero dimensioni. 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 e-NTU. Efficienza.
Irraggiamento. Proprietà energetiche della radiazione elettromagnetica. Grandezze caratteristiche, Interazione tra radiazione e superfic i, coefficienti di assorbimento, riflessione e trasmissione. Il corpo nero. 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:
Compressibilità e dilatazione termica nei fluidi.
Miscele di aeriformi. Miscele di gas e va pori: 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 e le atmosfere tipo.
Rappresentazione tramite sistemi e volumi di controllo dei bilanci di massa, quantità di moto ed energia.
Strato limite cinematico e termico: diffusione della quantità di moto e del calore in un fluido reale; genesi degli strati limite; analogia di Reynolds e convezione forzata.

Laboratori e/o esercitazioni

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 specie gassose e dell’umidità dell’aria. 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.
Esercizi sui bilanci di massa. Il barometro, il manometro, il tubo di Venturi, il sifone, l’eiettore a getto e la pompa a fluido. Tubo di Pitot.
Bilanci di quantità di moto. Calcoli di dimensionamento e prestazioni su un impianto con turbina Pelto n.
Applicazioni dell’analogia di Reynolds. Scambi termici su pareti lisce ed alettate. Scambio radiativo tra pareti piane e sferiche.
Calcolo delle prestazioni in scambiatori di calore a fluido.

a) Testo di riferimento per il corso:
G. Chiocchia, M. Germano, Termofluidodinamica, Levrotto & Bella, Torino 2012
b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione:
Calì M., Gregorio P., Termodinamica, Ed. Leonardo, Bologna, 1996 (in corso di revisione e ristampa)
Çengel Y.A., Termodinamica e trasmissione del calore, Ed. McGraw-Hill, New York, 2005.
D.J. Tritton, Physical Fluid Dynamics, Van Nostrand Reynhold Co., 1 ed. 1977

L’esame nel primo dei due appelli che seguono immediatamente la conclusione delle lezioni è scritto, mentre è orale in tutti gli altri appelli dell’anno accademico.
L’esame scritto consiste nella risposta a 30 domande presentate in un questionario. Il tempo massimo a disposizione è di 90 minuti. Le domande richiedono in parte la scelta della risposta corretta tra tre indicate (quiz a risposta multipla), in parte l’esecuzione di calcoli il cui risultato non è suggerito. La sufficienza si ottiene con 16 risposte esatte, mentre lo svolgimento corretto e completo dell’intera prova (30 risposte esatte) permette il raggiungimento della lode.
Il risultato positivo dell’esame scritto deve essere registrato nella stessa sessione, pena il decadimento del voto ottenuto.
Gli esami orali consistono in due o tre domande poste ad ogni candidato, sviluppate attraverso la discussione o lo svolgimento di brevi calcoli e durano circa un quarto d’ora l’uno. La presentazione all’esame orale nel secondo appello che segue la conclusione delle lezioni implica il decadimento dell’eventuale voto conseguito nello scritto qualunque esso sia.