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Anno Accademico 2010/11
05IHQMK
Termodinamica applicata e trasmissione del calore
Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 8 B - Caratterizzanti Ingegneria energetica
Presentazione
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 deter-minati dalla scambi con altri corpi di energia in forma di calore e lavoro. Si introducono le definizioni e i concetti fondamentali, le leggi fenomenologiche e i principi generali che governano questi fenomeni insieme con le loro rappresenta-zioni matematiche.
Successivamente si descrivono le principali tecnologie per la conversione di calore in lavoro e viceversa nei motori e nelle macchine frigorifere, e per controllare il comportamento di miscele di gas, specialmente quelle di aria e vapore acqueo, 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, sia
Tra le applicazioni fondamentali si studiano gli scambiatori di calore e il trasferimento di calore nelle superfici estese, come le alette di raffreddamento.
Risultati di apprendimento attesi
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 cono-scenze 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 - 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, svolgendo calcoli di dimensionamento prima approssimazione.
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
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, algebra delle matrici), fisica (meccanica, dinamica, statica dei fluidi, elettromagnetismo, fisica della materia) e di chimica di base.
Programma
Definizione di grandezze e concetti fondamentali: Sistema e stato termodinamico; equilibrio, processi e trasformazioni. Temperatura, calore, lavoro.
Proprietà di corpi omogenei: Trasformazioni fondamentali: Isocora, Isobara, Isoterma, Adiabatica, Politropica. Com-primibilità isoterma e adiabatica. I gas ideali. Il lavoro: Lavoro delle forze esterne e delle forze interne. Il lavoro di attrito nei fluidi. L'equazione dell'energia cinetica e il teorema di Bernoulli.
Primo principio: Enunciato generale. Energia interna, entalpia, calori specifici: Bilanci di energia.
Secondo principio: Macchine termiche. Enunciato generale. entropia, reversibilità e irreversibilità. Ciclo ideale di Carnot. Il teorema di Carnot. Temperatura termodinamica.
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 lagrangiana ed euleriana. Le equazioni fondamentali per i si-stemi 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.
Miscele di gas e psicrometria: Proprietà delle miscele di gas ideali. Miscele di gas con fluidi condensabili. Grandezze psicrometriche diagrammi termodinamici dell'aria umida. Trasformazioni psicrometriche. Cenni al condizionamento ambientale.
Introduzione ai modi di trasmissione del calore: Conduzione, convezione e irraggiamento. Cenni alla termo meccanica 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. Efficienza. I metodi di dimensio-namento della differenza di temperatura media logaritmica ed efficienza-NTU.
Irraggiamento: Proprietà energetiche della radiazione elettromagnetica. Grandezze caratteristiche, Interazione tra ra-diazione e superfici, 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; reti di resistenze equivalenti.
Organizzazione dell'insegnamento
Esercitazioni in aula: Di volta in volta il docente propone esercizi numerici su ognuno dei temi trattati durante le lezioni, alcuni dei quali saranno analizzati e risolti in aula mentre altri dovranno essere sviluppati durante lo studio individuale. Se il docente lo riterrà opportuno, gli studenti dovranno redigere anche una o più monografie su argomenti di ter-modinamica o di trasmissione del calore da esibire in sede di esame.
Laboratori: Ove reso possibile dalle opportunità a disposizione dei singoli corsi, gli studenti parteciperanno ad esperi-menti di laboratorio su ognuno dei quali dovranno redigere una relazione da esibire in sede di esame.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
Gli appunti presi durante le lezioni, costituiscono il preciso riferimento degli argomenti trattati nell'insegnamento e che saranno oggetto di esame. Comunque, per una preparazione adeguata e per comprendere nel modo migliore gli argo-menti trattati si CONSIGLIA VIVAMENTE di approfondire lo studio su un libro o, meglio, su più libri.
Di seguito si riporta un elenco di testi consigliati. Il docente titolare dell'insegnamento comunicherà a lezione eventuali modifiche o scelte nell'elenco.
a. Eventuali appunti e dispense distribuiti dal docente.
b. Libri che contengono solo Termodinamica Applicata
- M. Calì, P. Gregorio, "Termodinamica" Esculapio, Bologna.
- M. W. Zemansky, M.M. Abbott, H.C. Van Ness, "Fondamenti di termodinamica per ingegneri", Zanichelli
- M.J. Moran, H.N. Shapiro, 'Fundamentals of engineering Thermodynamics', J. Wiley & Sons, Inc., 2006.
- P.S. Schmidt, O.A. Ezekoye, J.R. Howell, D.K. Baker, 'Thermodynamics: An Integrated Learning System', J. Wiley & Sons, Inc., 2006.
c. Libri che contengono solo Trasmissione del Calore
- G. Guglielmini, C. Pisoni, 'Introduzione alla trasmissione del calore', Casa Editrice Ambrosiana, Gennaio 2002.
- F.P. Incropera, D.P. De Witt, 'Fundamentals of Heat and Mass Transfer', J. Wiley & Sons, Inc..
d. Libri che contengono solo Termodinamica applicata e Trasmissione del calore nello stesso volume
- Y. A. Çengel, 'Termodinamica e trasmissione del calore', McGraw-Hill, 2005.
- M.J. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, 'Introduction to Thermal Systems Engineering, Thermodynamics, Fluid Mechanics and Heat Transfer', J. Wiley & Sons, Inc., 2003.
Criteri, regole e procedure per l'esame
L'esame è costituito da una prova scritta durante la quale si richiede di risolvere esercizi numerici, e da un colloquio orale sugli argomenti del programma dell'insegnamento.
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2010/11
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