00430 - FISICA TECNICA

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del Corso, lo studente è in grado di impostare e risolvere: problemi di analisi energetica di sistemi termodinamici; problemi di moto di fluidi newtoniani in condotti, in regime laminare e turbolento, anche in presenza di apparati meccanici; problemi di conduzione stazionaria in mezzi fourieriani, in geometria piana o cilindrica, anche in presenza di fenomeni di generazione interna di calore; problemi di convezione; problemi di irraggiamento; problemi composti di scambio termico, in geometria piana e cilindrica.

Programma/Contenuti

Il programma si compone di tre parti fondamentali: termodinamica, meccanica e dinamica dei fluidi e trasmissione del calore. Per ciascuna parte il dettaglio degli argomenti trattati è indicato sotto.

  1. Termodinamica (35 ore circa):
    • Definizioni: sistema,variabili di stato. Grandezze intensive, estensive e specifiche, densità, concentrazione. Pressione. Diagrammi di stato. Trasformazioni. Trasformazioni all'equilibrio, trasformazioni irreversibili, endoreversibili e reversibili. Principio zero della termodinamica. Scala termometrica. Temperatura empirica assoluta. Equazione di stato dei gas perfetti. Primo principio della termodinamica per sistemi chiusi. Energia totale ed energia interna. Calore. Equazione di bilancio dell'energia per sistemi chiusi. Tipi di trasformazioni notevoli: isobare, isocore, isoterme, adiabatiche, cicliche. Trasformazioni politropiche. Proprietà delle sostanze pure. Esperienza di Joule, dipendenza dell'energia interna e dell'entalpia dalla sola temperatura per i gas perfetti. Superfici di stato. Luoghi notevoli: curve limite, linea di punto triplo, punto critico, isoterma critica. Proiezione delle superfici di stato sui diagrammi bidimensionali. Costruzione delle curve limiti. Vapori saturi: titolo e suo impiego per determinare le proprietà termodinamiche dei fluidi in cambiamento di fase. Determinazione delle proprietà per liquidi sottoraffreddati. Concetto di bilancio di una quantità fisica. Portata massica. Definizione di velocità media. Equazione di continuità. Formulazione del bilancio di primo principio per sistemi aperti. Sistemi a deflusso stazionario. Esempi di applicazioni: ugelli e diffusori, turbine, compressori, scambiatori di calore e valvole di laminazione. Definizione di serbatoio termico. Macchina termica: motrice e operatrice. Parametri prestazionali di cicli termodinamici diretti e inversi: rendimento e COP (frigorifero e pompa di calore). Il II principio della termodinamica. Enunciati di Clausius e di Kelvin-Planck e loro equivalenza. Formulazione in forma di disuguaglianza dell'enunciato di Kelvin-Planck. Corollari di Carnot. Equivalenza della temperatura empirica assoluta e della temperatura termodinamica. Scala Kelvin. Rendimento e COP di cicli termodinamici ideali. Disuguaglianza di Clausius. Definizione dell'entropia come proprietà di stato. Calcolo dell'entropia per vapori saturi. Diagrammi entropici. Scala di temperatura termodinamica assoluta. Ciclo di Carnot. Cicli diretti a vapore: Rankine e Rankine-Hirn. Rappresentazione sui diagrammi p-v e T-s. Cicli inversi a vapore: ciclo frigorifero. Differenza tra ciclo frigorifero di Carnot e ciclo frigorifero reale. Componenti della macchina frigorifera. Diagramma Log p- h. Calcolo del COP. Pompa di calore. Calcolo del COP. Cicli a gas. Ciclo ad aria standard fredda. Motore a combustione interna. Diagramma di indicatore. Rapporto di compressione e pressione media. Rendimento del ciclo standard equivalente. Ciclo Diesel. Rendimento. Turbina a gas. Ciclo ad aria fredda standard. Ciclo a gas Joule-Brayton. Rappresentazione sui diagrammi p-v, T-s. Recuperatore.
  2. Meccanica e dinamica dei fluidi(10 ore circa)
    • Meccanica dei fluidi. Idrostatica. Bilancio di forze. Dinamica dei fluidi. Legge di Newton per i fluidi. Viscosità. Viscosità cinematica. Bilancio della quantità di moto per sistemi fluidici. Equazione di Bernoulli e sua generalizzata. Pressione di ristagno. Tubo di Pitot-Prandtl. Velocità torricelliana. Moto interno. Regimi di moto: laminare, turbolento e di transizione. Numero di Reynolds. Sviluppo del profilo di velocità entro un condotto. Regime di sviluppo idrodinamico per moti laminari e turbolenti. Profilo di velocità per flusso di Poiseuille in condotto circolare. Regime di moto turbolento. Perdite di carico: distribuite e concentrate. Legge di Darcy-Weisbach. Legge di Blasius per tubi lisci. Relazione di Colebrook. Diagramma di Moody e suo impiego
  3. Scambio termico (15 ore circa)
  • Introduzione alla trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento. Conduzione. Legge di Fourier. Conducibilità. Equazione del calore. Concetto di resistenza termica Equivalente. Resistenze in serie e in parallelo. Resistenza termica di contatto. Distribuzione di temperatura in geometrie cilindriche. Flusso termico. Coefficiente globale di scambio termico. Pareti cilindriche multistrato. Conduzione stazionaria in lastra piana con generazione uniforme di temperatura. Casi particolari. Conduzione in geometria cilindrica con generazione interna. Convezione forzata: problema generale. Convezione forzata su lastra piana. Strato limite dinamico. Numero di Reynolds critico. Strato limite termico. Spessore dello strato limite. Numero di Nusselt. Numero di Prandtl. Numero di Grashof. Dipendenza funzionale. Temperatura di Film. Correlazione per lastra piana in regime laminare e turbolento e temperatura superficiale uniforme. Scambio convettivo su cilindri. Scambio termico convettivo forzato interno. Lunghezza di sviluppo idrodinamico e termico. Temperatura di mescolamento. Costanza del coefficiente di scambio termico convettivo per flusso termoidraulicamente sviluppato. Scambio termico convettivo in un tubo con flusso termico o temperatura superficiale imposta. Convezione naturale. Generalità. Numero di Grashof. Coefficiente di dilatazione cubica. Convezione naturale su lastra piana verticale. Convezione naturale su piastre orizzontali. Irraggiamento. Natura fotonica e ondulatoria del fenomeno. Emettitori diffusi. Mezzi non partecipanti. Potere emissivo. Irradiazione. Radiosità. Bilancio superficiale. Corpo nero: definizione. Distribuzione di Planck. Legge di Wien. Legge di Stefan-Boltzmann. Funzione di distribuzione della radiazione di corpo nero. Emissività. Coefficiente di assorbimento, trasmissione e riflessione, forma spettrale ed integrale. Legge di Kirchoff. Corpi lambertiani. Fattori di vista. Scambio radiativo tra corpi neri. Resistenza radiativa di forma. Scambio radiativo tra corpi lambertiani. Resistenza radiativa superficiale. Schermi alla radiazione. Superfici reirradianti. Equazione Biotermica.

Testi/Bibliografia

Tutto il programma viene svolto a lezione e le diapositive proiettate sono disponibili nel materiale didattico.

Per chi non frequenta o desidera una versione testuale degli argomenti, la parte di programma fino ai cicli frigoriferi compresi è trattata nelle 'Dispense di Fisica Tecnica Ambientale' redatte dal docente e disponibili nel materiale didattico del corso. Per la parte rimanente del programma il testo necessario è "Moran M.J., Shapiro H.N., Munson B.R., DeWitt D.P. - Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria -2011 McGraw Hill". L'equazione biotermica può essere reperita, oltre che sul materiale proiettato a lezione, ad esempio nel testo "T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, David P. DeWitt - Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th Edition, 2011-Wiley".

Per gli esercizi sono necessarie tabelle delle proprietà termodinamiche e termofisiche, presenti tra il materiale didattico. 

Per eventuali approfondimenti si consiglia: "A.K. Datta - Heat and Mass Transfer - A biological context, 2nd Edition, 2017-CRC Press".

 

Metodi didattici

Il corso si compone di 60 ore di lezioni frontali. Inframmezzate alle parti in cui sono esposti e discussi gli aspetti teorici e applicativi degli argomenti del corso vengono svolti esercizi mirati alla illustrazione e del metodo di analisi e soluzione dei problemi e del procedimento numerico  che porta al risultato.

Relativamente al "...ruolo giocato dalla frequenza a lezione nel processo di apprendimento e in quello di valutazione" (sic), per il secondo aspetto, questo è nullo: non essendo previste prove di verifica in itinere, la presenza dello studente a lezione non fornisce alcunché di valutabile. Relativamente al processo di apprendimento, aspetto individuale, nulla si può dire di generale: il docente consiglia la frequenza delle lezioni a tutti coloro che ritengono che questa sia più proficua di un uguale tempo (incluso quello per gli spostamenti, se imputabili solo al corso) speso nello studio individuale sul materiale del corso.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consta in una prova scritta e in una orale. Il superamento dello scritto è condizione necessaria e sufficiente per l'ammissione alla prova orale. Lo scritto verte sulla soluzione numerica di problemi su tutte le tematiche trattate nel corso, mentre l'orale è principalmente incentrato su domande sui fondamenti teorici e le applicazioni, ancora una volta relativi a tutti argomenti trattati nel corso.

Non sono previste prove intermedie.

Lo scritto ha durata massima di tre ore e deve essere superato per potere accedere alla prova orale. La prova orale si tiene immediatamente dopo la correzione degli scritti, lo stesso giorno quando possibile, altrimenti il primo giorno utile successivo. Per potere sostenere lo scritto è necessario iscriversi attraverso AlmaEsami. Lo scritto consiste di tre esercizi, uno sulla parte di termodinamica, uno su quella di fluidodinamica e uno sullo scambio termico. Ciascun esercizio risolto correttamente fornisce 12 punti (36 in totale); laddove più quesiti siano posti nello stesso esercizio, per ciascuno di essi è indicato il valore in punti della risposta corretta. Se i dati di un quesito sono necessari per rispondere a domande successive, vengono anche forniti valori ausiliari (VA), da impiegare in caso non si sia in grado di ricavare quelli necessari. Non è ammesso altro strumento ausiliare che la calcolatrice. Tutte le tabelle e le correlazioni eventualmente necessarie per lo svolgimento degli esercizi sono allegate o contenute nel testo dello scrittio. La soglia di ammissione alla prova orale è di 18 punti.

Una vasta selezione dei testi degli scritti corredati dalle soluzioni è disponibile sul sito del corso ininsegnamenti online.

L'orale consta di due domande su tutti gli argomenti del programma di esame: è necessario rispondere in maniera sufficiente ad entrambe per ottenere un esito positivo della prova. Durante l'esposizione il docente pone ulteriori domande o richiede chiarimenti, sempre inerenti gli argomenti trattati nel corso. La durata dell'orale dipende dal tempo impegato dai candidati per rispondere alle domande poste. Il mancato superamento della prova orale implica l'obbligo di ripetere la prova scritta.

I voti previsti vanno da 18 a 30 con lode. Ribadita la necessità di superare lo scritto per potere accedere all'orale, i voti sono assegnati dal docente in base al suo personale giudizio, in quanto è convinzione dello scrivente che l'assegnazione del punteggio finale sia una prerogativa del mestiere di docente, se fosse quantificabile la valutazione potrebbe essere svolta da macchine. Come principi generali, che comunque si riducono a ovvietà dettate dal buon senso, la sufficienza implica un grado di conseguimento delle conoscenze e delle competenze appena bastevole, con una valutazione che cresce in base alla conoscenza che i candidati mostrano nel rispondere alle domande poste. I voti più elevati sono conseguibili solo dimostrando anche la capacità di sapere svolgere ragionamenti a partire dalle conoscenze conseguite, che è manifestazione di vera acquisizione di competenze al di là di ciò che una macchina può svolgere.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, PC, proiettore.

L'intero materiale didattico utilizzato a lezione (schemi e diapositive) è disponibile su insegnamenti online

Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna.


Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Lorenzini