Politecnico di Torino
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Anno Accademico 2007/08
08AXYFC, 08AXYFA, 08AXYFI
Fisica tecnica
Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica - Alessandria
Corso di Laurea in Ingegneria Delle Materie Plastiche - Alessandria
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Alessandria
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Sacchi Alfredo       56 28 0 0 8
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 7.5 B - Caratterizzanti Ingegneria energetica
Obiettivi dell'insegnamento
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.
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.
Competenze attese
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.
Prerequisiti
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.
Programma
Parte I. TERMODINAMICA APPLICATA
Scopo della Termodinamica. Definizioni: Grandezze primitive e derivate. Coordinate termodinamiche, stato ed equazioni di stato. Processi e trasformazioni (diretti, inversi e ciclici). La temperatura: definizione e cenni di termometria. Grandezze funzione di trasformazione: Calore e flusso termico. Lavoro e potenza. Forze di superficie e di massa e interne. L'equazione dell'energia meccanica. Calorimetria: Trasformazioni di fluidi omogenei semplici. Applicazione ai gas ideali. Il primo principio della Termodinamica: Enunciato. Energia interna ed Entalpia. L'entalpia generalizzata. Il secondo principio della Termodinamica: Cenni storici. Macchine termiche e rendimento. Le irreversibilità. L'enunciato fondamentale nella forma della diseguaglianza di Plank. Il ciclo ed il teorema di Carnot. La temperatura assoluta. L'equazione di Clapeyron. Processi reversibili. Entropia. Rendimento massimo di un ciclo. Il teorema del massimo rendimento e il lavoro massimo. I sistemi aperti: Descrizione lagrangiana ed euleriana. La portata di massa. Derivata sostanziale di una grandezza estensiva. Conservazione della massa e della quantità di moto, primo e secondo principio della Termodinamica. L'equazione di Bernoulli. Motori a gas: I cicli ideali di Carnot, Otto, Diesel, Joule e Stirling. I sistemi polifasi: La regola di Gibbs. I cambiamenti di stato e le trasformazioni liquido-vapore. Definizioni ed equazioni fondamentali. Il titolo. L'equazione di Clapeyron. Motori a vapore: I cicli termodinamici a vapore di Carnot, Hirn e Rankine, e loro rappresentazioni nei piani p-v, T-s e h-s. Surriscaldamenti e rigenerazione. I gas reali: equazioni di stato. Macchine frigorifere e pompe di calore: Fluidi con attrito ed effetto Joule-Thomson nella trafilazione isoentalpica. I cicli inversi. Definizioni. L'efficienza o COP. Il diagramma h-log p. Cicli di macchine frigorifere a compressione di vapore con compressione semplice e multistadio. Cicli sovrapposti e in cascata. Cenni agli impianti ad assorbimento. Miscele di gas e psicrometria. Leggi di Dalton e Amagat. Psicrometria e miscele aria-vapore acqueo. Grandezze psicrometriche. I diagrammi di Mollier e ASHRAE. Trasformazioni termodinamiche e soluzioni tecnologiche. La climatizzazione estiva ed invernale degli edifici.

Parte II. TRASMISSIONE DEL CALORE
Introduzione alla termocinetica. Rappresentazioni continue e discrete. I modi dello scambio termico. La conduzione:
L'equazione fondamentale con le condizioni al contorno. La relazione di Fourier. Fenomenologia e conduttività termica.
Applicazioni. Superfici estese e alette: Classificazione. Le equazioni. Efficienza. Moto dei fluidi e convezione: Viscosità. Moto laminare e turbolento e numero di Reynolds. Interazioni fluido-parete e strato limite di velocità e temperatura su lastre piane e nei condotti. La convezione e l'equazione di Newton. I numeri adimensionali. Convezione forzata in lastra piana. Cenni al teorema di Buckingham. Lo scambio termico nei condotti. Relazioni adimensionali per la convezione forzata. Convezione naturale e relazioni adimensionali in lastra piana. Scambiatori di calore: Classificazione e caratteristiche costruttive. Calcolo degli scambiatori a superficie. Bilanci di energia e flussi termici. Andamento della temperatura dei fluidi negli scambiatori a tubi coassiali. I metodi di calcolo "della carta F" ed epsilon-NTU.. Efficienza. Irraggiamento: Definizioni e grandezze caratteristiche. Il corpo nero. Le leggi di Plank, Stefan-Boltzmann e Wien. I corpi reali e le leggi di Kirchoff. Scambio di energia raggiante tra corpi neri. I fattori di forma. L'analogia elettrica. Scambio di energia raggiante tra corpi grigi.
Laboratori e/o esercitazioni
Esercizi svolti in aula sui temi trattati a lezione.
Bibliografia
Gli appunti presi durante le lezioni, costituiscono il preciso riferimento degli argomenti trattati nel corso e che saranno
oggetto di esame. Per conseguire una preparazione adeguata e comprendere meglio gli argomenti trattati si CONSIGLIA VIVAMENTE di approfondire lo studio su un libro o, meglio, su più libri. Qui di seguito si riporta un elenco di testi consigliati.
Termodinamica applicata solamente
' M. Calì, P. Gregorio, "Termodinamica" Esculapio, Bologna.
' A. Cavallini, L. Mattarolo, "Termodinamica applicata", Cleup Editore. (Ottimo testo di base)
' M. W. Zemansky, M.M. Abbott, H.C. Van Ness, "Fondamenti di termodinamica per ingegneri", Zanichelli (Ottimo testo di base, con esercizi)
' P.S. Schmidt, O.A. Ezekoye, J.R. Howell, D.K. Baker, 'Thermodynamics: An Integrated Learning System', J. Wiley & Sons, Inc., 2006. (Ottimo testo in inglese, particolarmente curato e con molti esercizi e con una edizione particolarmente curata. Gli acquirenti possono accedere con un codice al sito internet della casa editrice nel quale sono contenute le soluzioni di tutti gli esercizi, molti testi di ausilio didattico e filmati multimediali che illustrano il funzionamento delle principali macchine studiate)
Trasmissione del calore solamente
' G. Guglielmini, C. Pisoni, 'Introduzione alla trasmissione del calore', Casa Editrice Ambrosiana, Gennaio 2002, (ottimo testo di base, con esercizi).
' C. Bonacina, A. Cavallini, L. Mattarolo, 'Trasmissione del calore', Cleup Editore, (ottimo testo di base)
' R. Borchiellini, M. Calì, M. Torchio, "Note per le lezioni di trasmissione del calore e termocinetica", Politeko 2001, (dispense che contengono le formule più importanti illustrate con testi sintetici e strutturate in modo tale da permettere agli studenti di seguire le lezioni e prendere contemporaneamente appunti)
Termodinamica applicata e Trasmissione del calore nello stesso volume
' Y. A. Çengel, 'Termodinamica e trasmissione del calore', McGraw-Hill, 2005. (ottimo testo di base, in italiano, con esercizi)
' 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 (Ottimo testo in inglese, editorialmente particolarmente curato e con molti esercizi. Al libro è allegato un CD che contiene il testo completo in formato Adobe Acrobat® la soluzione di quasi tutti gli esercizi proposti e alcuni filmati multimediali che illustrano lo svolgimento di fenomeni significativi).
Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
L'esame è costituito da una prova scritta, nella quale si richiede di risolvere esercizi numerici. Per gli studenti degli anni precedenti l'esame consiste in un colloquio orale sugli argomenti del programma del corso.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2009/10
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