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.

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.

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 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 e-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.

a) Testo di riferimento per il corso:
- G. Chiocchia, M. Germano, Termofluidodinamica, Levrotto & Bella, Torino 2012.

b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione:
-- E. Fermi, Termodinamica, Bollati-Boringhieri, Torino, 2007 (rist.).
-- Y.A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill, New York, 2005.
-- D.J. Tritton, Physical Fluid Dynamics, Clarendon Press, 1988 (rist.).
-- M. Calì, P. Gregorio, Termodinamica, Prog. Leonardo, Esculapio, Bologna, 2006 (rist.).

L’esame consiste in una prova orale della durata indicativa di circa 30 minuti, in cui ad ogni candidato vengono posti alcuni quesiti, relativi agli argomenti teorici illustrati a lezione, e brevi esercizi riguardanti problemi applicativi.

Nel primo appello della sessione estiva, subito dopo la fine del corso, questa modalità è sostituita da un esame scritto della durata di novanta minuti, che consiste in un questionario di massimo trenta domande. La tipologia delle domande comprende sia quesiti a risposta multipla, sia domande ed esercizi a risposta aperta. La prova scritta è svolta senza l’aiuto di appunti o libri. Il voto è determinato dalle sole risposte corrette.

Il risultato positivo dell’esame deve essere registrato nello stesso appello, pena il decadimento del voto ottenuto.