L’insegnamento fornisce una conoscenza di base dei meccanismi di trasporto di quantità di moto, materia ed energia, nonché la capacità di prevederne quantitativamente la velocità di trasferimento.
This course provides a basic knowledge of the transport mechanisms of momentum, mass, and energy, as well as the ability to quantitatively predict the rate of transfer.
Al termine dell'insegnamento, l'allievo/a dovrà essere in grado di descrivere fenomenologicamente e analiticamente i meccanismi di trasferimento di quantità di moto, energia e materia, nonché di risolvere problemi di scambio delle anzidette proprietà nel caso di sistemi con geometrie semplici. Nello specifico, l'allievo/a acquisirà conoscenze fondamentali sui seguenti argomenti:
1. Bilanci integrali e locali di materia, quantità di moto ed energia;
2. Meccanica dei fluidi e trasporto di quantità di moto;
3. Trasporto di calore per conduzione, convezione e irraggiamento;
4. Trasporto di materia con meccanismo diffusivo e convettivo
4. Coefficienti di scambio di calore e di materia all'interfaccia;
5. Analogia tra i fenomeni di trasporto e i coefficienti di trasferimento.
The student will acquire fundamental knowledge on the following topics:
- integral and local balance sheets of matter, momentum and energy.
- fluid mechanics and momentum transport.
- heat transfer by conduction, convection and radiation.
- transport of matter with diffusive mechanism and in a turbulent regime.
- analogies between transport phenomena, transfer coefficients.
At the end of the course the student must be able to phenomenologically and analytically describe the phenomena of transport of matter, energy and momentum by correctly setting the integral and local balance equations of the aforementioned properties.
L'allievo/a deve conoscere i fondamenti della fisica e dell’analisi matematica.
Basic integral and differential calculus.
Gli argomenti trattati nel corso si articolano in quattro parti:
(A) Introduzione e bilanci di proprietà
(B) Trasporto di quantità di moto
B1. Trasporto molecolare e legge di Newton;
B2. Viscosità nel caso di gas, liquidi (polimerici e non), sospensioni ed emulsioni;
B3. Classi reologiche;
B4. Trasporto di quantità di moto per convezione;
B5. Fenomenologia della turbolenza;
B6. Interazioni fluido-parete e definizione di coefficiente di attrito;
B7. Impostazione generale delle equazioni di trasporto per la quantità di moto;
B8. Problemi di trasporto di quantità di moto per geometrie semplici.
(C) Trasporto di energia
C1. Trasporto molecolare di calore (conduzione) e legge di Fourier
C2. Conducibilità termica nei gas, liquidi e solidi;
C3. Trasporto di calore per convezione (forzata e naturale);
C4. Coefficienti di scambio di calore all’interfaccia, interazioni fluido-parete solida e legge di raffreddamento di Newton;
C5. Trasporto di calore per irraggiamento: legge di Kirchoff, derivazione legge di Stefan-Boltzmann, interazione radiazione-superfici, scambio di energia tra corpi neri e grigi, fattori di vista;
C6. Problemi di trasporto di calore per geometrie semplici.
C7. Equazioni generalizzate per il trasporto di calore;
C8. Equazioni di bilancio di energia meccanica in un fluido ed equazione di Bernoulli generalizzata;
C9. Calcoli di progetto per il dimensionamento di una linea di trasferimento.
(D) Trasporto di materia
D1. Trasporto molecolare e convettivo di materia in miscele multicomponenti;
D2. Diffusione di materia ordinaria e legge di Fick;
D3. Diffusione di materia non ordinaria;
D4. Impostazione generale delle equazioni di trasporto di materia in una miscela multicomponente;
D5. Modelli semplificati per il trasferimento di materia interfacciale;
D5. Problemi di trasporto di materia in geometrie semplici;
D6. Diffusione in mezzi eterogenei e porosi.
Integral proprietary balance: terms of balance equations, balance of matter, reaction rate, momentum balance in fluid systems, energy balance (enthalpy balance, balance of mechanical energy in a fluid, generalized Bernoullli equation).
Introduction to the transport of properties: molecular transport in ideal and rarefied gas phases, Fick, Fourier and Newton laws, transport properties (viscosity, thermal conductivity and binary diffusivity of matter), rheological classes, phenomenology of turbulence.
Elements of fluid mechanics: fluids in static conditions: Stevin's law, stresses on vessels, buoyancy; fluid dynamics and momentum transport: shear stresses, laminar motion in conduits, friction factor, local and distributed energy dissipation; fluids and solids in relative motion: form coefficient, free fall speed, fluid motion and friction factors in granular beds, fluidization of particle beds.
Heat transport: unidirectional conduction in homogeneous and composite solid phases in the absence and in the absence of thermal generation; convective heat transport: forced and natural convection, heat transfer coefficients, series resistances and global coefficient, analogy with the transport of momentum, radiation: absorption and emission of radiant energy, emissivity, Kirchoff's law, black bodies, law of Lambert, emission spectrum, Planck and Wien relations, irradiation between black and gray bodies, visual factors.
Matter transport: mass and molar flows, diffusive flow in binary systems, equimolar counter-diffusion, diffusion in stagnant medium, interphase and convective transport: material exchange coefficients, film and penetration models, motive force and global coefficient and controlling resistance, volume coefficient.
Local owned and transported balances in a continuous fluid: system observation mode, local balance terms, continuity equation, local momentum and speed range balance, stress tensor, laminar and fit motion equations dimensionless, local energy balance, kinetic energy balance and dissipative terms, Fourier's second law, local material balance in multi-component systems.
L’insegnamento si articola in lezioni (in aula) ed esercitazioni di calcolo in cui verranno applicati i concetti visti a lezione. Si prevedono inoltre delle esercitazioni mirate all'accertamento delle conoscenze acquisite.
The classroom exercises will consist in solving problems of transport phenomena. A laboratory exercise is scheduled whose attendance is mandatory:
study of the diffusion of matter in a stagnant fluid and measurement of the dissipation of mechanical energy in moving fluids.
Each team will have to prepare a report on the experiments performed.
R.B. Bird, W.E. Stewart and E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd edition, Wiley, 2002.
Handouts are available on the web page of the course.
Reference books:
- Transport Phenomena / R.B. Bird et al. - New York: Wiley, 2002
Slides; Libro di testo; Esercizi;
Lecture slides; Text book; Exercises;
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
...
L’esame consiste di:
1. Una prova scritta (obbligatoria, max. 30 pt);
2. Un colloquio (facoltativo, [-6, +6] pt).
La prova scritta ha una durata di 90 minuti e prevede la risoluzione di due esercizi di calcolo e due quesiti di teoria. Durante la prova scritta, l’allievo/a può consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non può consultare altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti.
In caso di valutazione sufficiente della prova scritta (>18 pt), l’allievo dovrà comunicare entro 48 ore dalla pubblicazione dei risultati la volontà di sostenere l'eventuale prova orale. Il colloquio vuole verificare la comprensione dei concetti teorici discussi durante l’insegnamento. Il punteggio di questa prova si somma a quello della prova scritta e può variare nell'intervallo [-6, +6].
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test;
Modulo di Fenomeni di Trasporto
L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di calcolo relativi a bilanci integrali e fenomeni di trasporto. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove.
Modulo di Reattori Chimici
L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di bilancio stechiometrico in sistemi aperti e chiusi, dimensionamento ed ottimazione di reattori chimici. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.