Fisica tecnica

Finalità

Il corso si propone di fornire agli studenti sia le nozioni di base della Termodinamica, della Termofluidodinamica, della Trasmissione del Calore sia alcuni elementi di Acustica e Illuminotecnica..

Programma

Termodinamica
Termodinamica: definizioni preliminari, sistema e stato termodinamico. Pressione e temperatura, termometro a variazione di volume ed a variazione di pressione di un gas perfetto, scala Celsius. Energia, calore e lavoro; energia interna ed energia in trasferimento. Serbatoio di calore. Il principio zero della termodinamica, equilibrio termico. La conservaione dell'energia; il primo principio della termodinamica. Entalpia. Fase, varianza, regola delle fasi di Gibbs. Dilatazione e compressibilità di sistemi monocomponente. Calore specifico a pressione ed a volume costante. Trasformazioni irreversibili, quasistatiche, reversibili. Macchine termiche e frigorifere. Il secondo principio della termodinamica. Il ciclo di Carnot. Teorema di Carnot. Temperatura termodinamica o assoluta; scala Kelvin. Disequazione di Clausius. Entropia. Teorema della non diminuzione di entropia per sistemi termicamente isolati. Calore scambiato e irreversibilità. Aumento di entropia e degradazione dell'energia. Lavoro ottimale e irreversibilità.
Liquidi, gas, vapori; diagrammi termodinamici. Sistemi monocomponente, superficie p-v-T. Curva limite inferiore e curva limite superiore; punto critico, linea tripla. Diagramma p-T. Diagramma p-v, isoterme e isentropiche. Gas perfetti. Equazione di stato. Trasformazione isentropica, esponente . Trasformazione politropica, esponente n. Gas reali; equazione di van der Waals, legge degli stati corrispondenti, fattore di compressibilità, diagramma di Obert-Nelson. Trasformazioni nei liquidi, calore specifico del liquido. Vapori saturi secchi, calore latente di vaporizzazione. Temperatura di vaporizzazione e pressione di saturazione. Equazione di Clapeyron. Trasformazioni nei vapori saturi. Trasformazioni in fase gassosa (vapori surriscaldati e gas). Diagramma entropico T-s. Diagramma entalpico h-s. Diagramma p-h. Diagramma T-h.
Termodinamica dei sistemi aperti. Equazioni di bilancio di materia. Equazione di continuità. Energia cinetica e potenziale del fluido. Calore e lavoro scambiato; lavoro utile. Principio di conservazione dell'energia. Equazione energetica in forma meccanica. Perdite di carico distribuite e concentrate. Il secondo principio per sistemi aperti. Analisi di secondo principio. Applicazioni dell'equazione di bilancio energetico; turbine, pompe, compressori, ventilatori, valvole, scambiatori di calore. Trasformazioni adiabatiche e rendimento isentropico. Tubi di Venturi e Pitot.
Cicli termodinamici delle macchine a gas. Ciclo Brayton con rigenerazione, reheating e intercooling. Ciclo Otto. Ciclo Diesel. Cicli rigenerativi: ciclo Stirling e ciclo Ericson. Cicli a vapore. Ciclo di Rankine con risurriscaldamento e rigenerazione.
Cicli frigoriferi, effetto utile e coefficiente di prestazione delle pompe di calore. Cicli a vapore. Il buco dell'ozono e i fluidi frigorigeni. Cicli frigoriferi a gas. Frigorifero ad assorbimento, acqua-ammoniaca e bromuro di litio-acqua.
Miscele di aria e vapore. Miscele di gas perfetti, legge di Dalton, legge di Amagat, legge di Gibbs-Dalton. Composizione della miscela, titolo e umidità relativa. Entalpia specifica J. Il diagramma di Mollier. Il diagramma psicrometrico. Trasformazioni nell'aria umida. Unità di trattamento dell'aria. Mescolamento adiabatico, riscaldamento con solo scambio di calore, raffreddamento con solo scambio di calore, umidificazione. Misura dell'umidità. Benessere fisiologico e umidità dell'aria.
Termofluidodinamica
Viscosità e tensioni tangenziali. Moto laminare e turbolento; numero di Reynolds. Equazioni di continuità, di Navier Stokes, di conservazione dell'energia. Strato limite dinamico e termico. Regione di ingresso. Moto completamente sviluppato. Calcolo del fattore d'attrito in moto laminare. Correlazioni per il moto turbolento.
Trasmissione del Calore
Irraggiamento del calore. Il trasporto di energia per onde elettromagnetiche o fotoni. Assorbimento dell'energia raggiante. Coefficienti di assorbimento, trasmissione e riflessione. Corpi opachi, bianchi, grigi, neri. Emissione di energia raggiante, potere emissivo specifico. Spettro di emissione. Potere emissivo angolare. Leggi del corpo nero: legge di Stefan-Boltzm, legge di Plank, legge di Wien, legge di Lambert. Legge di Kirchhoff. Potenza emessa da corpi grigi. La radiazione solare. Direzione di incidenza, trasmittanza e assorbanza. Scambio di potenza tra superfici piane parallele. Scambio di potenza tra superfici finite; fattori di forma. Potenza scambiata tra un corpo e le pareti di una cavità.
La convezione, legge empirica di Newton, temperatura di mescolamento e coefficiente di convezione. Analisi delle equazioni costitutive in forma adimensionale. Numeri di Nusselt, Reynolds, Prandtl, Grashof, Brinkman, Rayleigh, Peclet. Convezione forzata, mista e naturale. Approssimazione di Boussinesq. Calcolo del coefficiente di convezione in moto laminare; influenza delle condizioni al contorno. Correlazioni per il moto turbolento. Contemporanea presenza di convezione e irraggiamento, coefficiente di adduzione.
Conduzione del calore, legge ed equazione di Fourier. Conducibilità e diffusività termica. Calcolo della distribuzione di temperatura e del flusso termico. Generazione interna di potenza. Resistenza termica. Strati multipli. Condizioni al contorno di prima, seconda e terza specie. Condensazione interstiziale.
Acustica e Illuminotecnica
Acustica fisica, lunghezza d'onda, frequenza, velocità di propagazione, pressione sonora, potenza sonora. Fenomeni di riflessione, assorbimento e trasmissione. Livelli in decibel. Il tempo di riverberazione. L'isolamento e l'assorbimento acustico. Principi di illuminotecnica e grandezze fotometriche.

Attività d'esercitazione

Modalità d'esame

L'esame é costituito da una prova orale, nel corso della quale lo studente dovrà anche risolvere completamente esercizi relativi ad applicazioni ingegneristiche della teoria.

Propedeuticità

Per seguire il corso con interesse e profitto é consigliata la conoscenza dei programmi di Fisica I, Fisica II, Meccanica Razionale, Analisi Matematica I e Analisi Matematica II.

Testi consigliati

M. Spiga: Lezioni di Fisica Tecnica, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna, 1999.
M. Spiga: Esercizi di Fisica Tecnica, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna, 1998.
J.P. Holman: Thermodynamics, Mc Graw Hill Book Company; 1988.
K. Wark: Thermodynamics, Mc Graw Hill Book Company, 1989.
W. S. Ja: Engineering Heat Transfer, Londra, VNR; 1988.

Testi d'approfondimento

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