FISICA TECNICA

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA TECNICA INDUSTRIALE (ING-IND/10)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire le nozioni di base per l'analisi energetica di sistemi, sia attraverso lo studio dei processi di conversione tra le diverse forme di energia (termica, meccanica), sia fornendo gli elementi fondamentali sui meccanismi dello scambio termico e della meccanica del fluidi.Conoscenze e capacità di comprendere:
A conclusione del percorso didattico lo studente avrà acquisito conoscenze di base nell’ambito della termodinamica, del moto dei fluidi e della trasmissione del calore. Relativamente ai temi della termodinamica e della trasmissione del calore sarà anche in grado di schematizzare alcuni semplici problemi di interesse pratico, evidenziando i fenomeni fisici rilevanti.
Competenze:
Lo studente sarà in grado di effettuare l’analisi energetica e termica di semplici problemi, previa schematizzazione del sistema e delle sue interazioni con il contorno.
Autonomia di giudizio:
A conclusione del processo di apprendimento lo studente avrà acquisito strumenti per interpretare in maniera critica fenomeni di conversione dell’energia e di trasmissione del calore.
Capacità comunicative:
Lo studente dovrà possedere l’abilità di schematizzare il problema, presentando in maniera chiara e con proprietà di linguaggio i dettagli del fenomeno fisico e i risultati dell’analisi effettuata.

Prerequisiti

Per seguire con profitto il corso d’insegnamento è necessario aver acquisito le nozioni di base di analisi matematica. Sono utili alla comprensione anche le competenze acquisite nei corsi di base di fisica e di chimica.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso d’insegnamento include i seguenti principali temi: termodinamica, moto dei fluidi, trasmissione del calore. Per ciascun tema vengono dapprima presentate le definizioni fondamentali, quindi le leggi fisiche alla base dei fenomeni considerati. Relativamente alla termodinamica vengono presentati e discussi in dettaglio i principi fondamentali, con i relativi corollari. Lo studio della termodinamica viene poi esteso alla descrizione dei sistemi fluidi (gas e liquidi) e alle miscele di gas (miscele di aria e vapore d’acqua). Lo studio del moto dei fluidi viene limitato a quanto necessario per lo studio della trasmissione del calore per convezione; vengono peraltro analizzati alcuni problemi relativi al moto di fluidi comprimibili. Nell’ambito del terzo tema vengono affrontate in dettaglio le diverse modalità di trasmissione del calore: conduzione, convezione, irraggiamento. Infine, quanto appreso viene applicato alla risoluzione di alcuni problemi di scambio termico particolarmente significativi per l’ingegnere meccanico. Durante il corso vengono presentati e discussi alcuni semplici problemi di termodinamica e di trasmissione del calore, con lo scopo di favorire l’assimilazione dei concetti teorici presentati.

Programma esteso

Termodinamica. Richiami sui sistemi di unità di misura. Generalità e definizioni. Sistemi chiusi. Primo principio della termodinamica e proprietà energia interna. Secondo principio della termodinamica e proprietà entropia. Irreversibilità. Teorema di non diminuzione dell'entropia. Sistemi semplici monocomponenti. Superficie (p, v, T) e diagrammi termodinamici (p, v) e (p, T). Proprietà dei liquidi. Proprietà e trasformazioni dei vapori saturi e surriscaldati. Gas perfetti. Proprietà e trasformazioni dei gas perfetti. Diagrammi termodinamici (T, s) e (h, s). Sistemi semplici multicomponenti. Proprietà delle miscele di gas perfetti. Proprietà termodinamiche delle miscele di aria e vapor d’acqua: titolo, grado igrometrico, entalpia specifica. Diagramma psicrometrico. Temperatura di rugiada e di saturazione adiabatica. Lo psicrometro. Termodinamica dei sistemi aperti. Definizioni. Equazioni di bilancio di massa ed energia. Cicli termodinamici: ciclo Rankine e ciclo frigorifero.
Moto dei fluidi. Aspetti fisici del moto di un fluido. Viscosità. Moto laminare e moto turbolento. Strato limite fluidodinamico. Derivata sostanziale. Equazione di continuità. Equazione vettoriale di Navier. Adimensionalizzazione delle equazioni del moto isotermo. Numero di Reynolds. Equazione di Bernoulli. Misure di velocità e di portata. Fluidi comprimibili. Numero di Mach. Equazione di propagazione delle onde acustiche. Moto di fluidi comprimibili entro condotti a sezione variabile. Ugello di de Laval.
Trasmissione del calore. Conduzione. Legge di Fourier. Conduttività termica. Conduzione stazionaria. Analogia elettrica. Trasmissione del calore per convezione. Convezione forzata, naturale e mista. Equazione di bilancio dell’energia. Adimensionalizzazione delle equazioni del moto non isotermo. Numeri di Prandtl, Grashof, Nusselt. Irraggiamento termico. Generalità e definizioni. Leggi dell'irraggiamento per il corpo nero: legge di Stefan-Boltzmann, legge di Planck, legge di Wien, legge di Lambert. Fattore di forma e sue proprietà. Applicazioni relative al mutuo scambio radiativo tra superfici nere e grigie. Contemporanea presenza di diverse modalità di scambio termico: coefficiente globale di scambio termico. Scambiatore di calore tubo in tubo. Aletta sottile.

Bibliografia

Testo consigliato:
M.J. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, “Elementi di Fisica tecnica per l’ingegneria”, McGraw-Hill
Ulteriore materiale bibliografico:
Y. A. Çengel, “Termodinamica e trasmissione del calore”, McGraw-Hill.
Appunti del corso, disponibili presso il Centro Didattico d’Ingegneria.

Metodi didattici

Sia l’inquadramento teorico degli argomenti, sia lo sviluppo di esempi applicativi, verranno svolti in aula, alla lavagna.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell’apprendimento è basata su una prova orale preceduta da un test scritto in cui vengono proposti due semplici esercizi, uno di termodinamica e uno di trasmissione del calore, la cui risoluzione richiede l’applicazione di principi di base della materia. La risoluzione degli esercizi proposti in assenza di errori concettuali gravi costituisce vincolo di ammissione al colloquio, in cui vengono verificate la corretta e completa risposta a domande di teoria e la proprietà di esposizione.
Durante le prove non è possibile consultare testi, né appunti delle lezioni.
L'esito del test scritto viene comunicato immediatamente dopo la correzione degli elaborati, di norma entro uno/due giorni, tramite comunicazione inviata via posta elettronica agli studenti iscritti all’appello; il voto finale viene comunicato immediatamente al termine della prova orale prima della sua eventuale registrazione.
La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio a cui si aggiunga la padronanza del lessico disciplinare.

Altre informazioni

Ulteriori informazioni sono disponibili su http://elly.ingind.unipr.it/2015/