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Docente
ROBERTO BACCOLI (Tit.)
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
ITALIANO 



Informazioni aggiuntive

Corso Percorso CFU Durata(h)
[70/89]  INGEGNERIA ELETTRICA, ELETTRONICA E INFORMATICA [89/10 - Ord. 2016]  ELETTRICA 6 60

Obiettivi

obiettivo generale del corso
Scopo del corso è quello di fornire i concetti necessari per arrivare a formulare un corretto inquadramento termodinamico di un problema fisico in cui sono coinvolti scambi di calore, di radiazione, di lavoro e di massa. Tale formulazione deve avvenire in coerenza con le approssimazioni derivate dalle eventuali semplificazioni del caso in studio. Attraverso il saper formulare il corretto inquadramento termodinamico il corso si prefigge il raggiungimento di una elevata abilità nello stabilire, in accordo con i principi della termodinamica, i rapporti quantitativi di causa ed effetto, tra le entità di scambio, calore radiazione termica e lavoro e l’evoluzione delle coordinate termodinamiche che descrivono lo stato di un sistema. La conoscenza di tale legame, di causa ed effetto, permetterà di controllare o prevedere un determinato processo o sarà semplicemente utile per determinare le azioni necessarie affinché un sistema si porti da uno stato iniziale ad uno stato finale.

Il corso si prefigge di conseguire i seguenti specifici obiettivi formativi:
a) conoscere le grandezze che definiscono e influenzano lo stato di un sistema termodinamico: i) coordinate termodinamiche, ii) grandezza di stato energia interna, entalpia ed entropia, iii) entità di scambio calore, radiazione termica, lavoro e massa e iv) meccanismi che regolano il loro scambio.
b) conoscere le leggi della radiazione termica, dei meccanismi con cui il calore si propaga e gli effetti termodinamici legati alla loro interazione con i corpi, sia in regime stazionario che transitorio. Saper determinare gli scambi termici di calore e di radiazione e la distribuzione della temperatura in problemi basati sulla presenza di meccanismi di scambio termico sia semplice che combinato per geometrie a simmetria piana e a simmetria cilindrica, durante il regime stazionario.
Conoscere gli enunciati e saper applicare il I e il II principio della termodinamica per sistemi chiusi e per sistemi aperti. Saper determinare le variazioni delle grandezze di stato energia interna, entalpia ed entropia a seguito di processi sia reversibili che irreversibili.
c) Conoscere e saper rappresentare i processi termodinamici cardinali nei piani termodinamici p,v, T,s e h,s.
Conoscere e saper analizzare i processi di conversione del calore in lavoro e viceversa che vengono eseguiti dalle macchine termiche motrici e dalle macchine termiche frigorifere. Conoscere i concetti che permettono di valutare le efficienze e le prestazioni energetiche delle macchine per la conversione dell'energia. Saper valutare l'efficienza di conversione alla luce del I e del II principio. Saper analizzare le irreversibilità dei processi tramite l’utilizzo dell’analisi exergetica.
Dopo il corso l’allievo dovrà quindi saper formulare l’Inquadramento Termodinamico nelle condizioni di scambio di calore, di radiazione termica, lavoro e massa come conseguenza dell'applicazione dei principi della termodinamica. Saper formulare i bilanci di energia massa e materia dei sistemi termodinamici chiusi e aperti. Saper calcolare le variazioni delle coordinate termodinamiche e delle grandezze di stato, energia interna, entalpia ed entropia. Saper valutare le efficienze di conversione delle macchine termiche motrici e frigorifere alla luce del I e del II principio della termodinamica tramite l’analisi exergetica dei processi. Saper analizzare le irreversibilità dei processi alla luce del II principio. Saper dimensionare i materiali in relazione alle loro proprietà termotecniche per ottenere specifiche condizioni di scambio termico e di distribuzione di temperatura nell’ambito della trasmissione del calore e della radiazione termica in regime stazionario sia per geometrie a simmetria piana che a simmetria cilindrica.

Prerequisiti

Fisica I e Fisica II; Analisi Matematica I e II

Contenuti

INTRODUZIONE ALLA TERMODINAMICA
Scopo e contenuti della Termodinamica, coordinate termodinamiche generalizzate - Definizione di sistema termodinamico. Le entità di scambio: massa, Lavoro, calore e radiazione.
TRASMISSIONE DEL CALORE E RADIAZIONE TERMICA
Fondamenti della trasmissione del calore per conduzione. La legge di Fourier per la conduzione interna. Conduzione tridimensionale in regime permanente e in regime transitorio. Legge di Fourier di Laplace e di Poisson in forma locale.
Fondamenti della Trasmissione del Calore per convezione.
Il coefficiente di trasmissione del calore per convezione. Meccanismo di trasporto dell'energia e fluidodinamica, concetti fondamentali dello strato limite termico. Convezione Libera e Forzata. Analisi dimensionale, teorema di Buckingham.
Il caso della lastra piana ad incidenza nulla e del cilindro attraversato ortogonalmente.
Radiazione termica.
L'irraggiamento termico del corpo nero, la legge di Plank, legge di Wien. Intensità di radiazione, superfici Lambertiane. Caratteristiche di irraggiamento delle superfici reali, emissività, riflettività assorbitività, e trasmissività monocromatica e totale. Il problema dello scambio termico per irraggiamento tra superfici nere e superfici grigie. L'analogia elettrica dello scambio termico per irraggiamento tra corpi grigi con il metodo dei fattori di vista. Meccanismi combinati di scambio termico (conduzione convezione e irraggiamento). I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA (0,I°,II°,III° )
Il primo principio della termodinamica per sistemi senza deflusso.
Lavoro significativo ai fini termodinamici
Lavoro adiabatico ed Energia Interna
Conversione del Lavoro in Calore
Estensione del primo principio della termodinamica alla radiazione termica
Equazioni del 1° principio per processi quasi statici
Calcolo degli scambi di Calore e di Lavoro per sistemi pvt
Calcolo degli scambi di Calore e di Lavoro, variazione di Energia interna ed Entalpia per un gas ideale nei processi fondamentali quasi statici:
i) Processo isotermo; ii) Processo adiabatico; iii) processo isocoro; iv) processo isobaro e v) processo politropico. La superficie p,v,T per una sostanza pura.
Termodinamica dei sistemi aperti.
Equazione del 1° Principio della Termodinamica per i sistemi aperti.

Conversione del calore in lavoro, il 2° principio della termodinamica, le macchine termiche motrici e frigorifere.
Processo di conversione del Calore in Lavoro
la macchina monotermica ideale,
la macchina bi-termica ideale (di Carnot) e il principio economico.
la funzione "frigorifera" e di pompa di Calore
Enunciati del 2° principio della Termodinamica (secondo Kelvin Planck, Clausius e l'unicità della adiabatica quasi statica passante per un punto).
Equivalenza degli enunciati del 2° P. d. T.

Teoremi cardinali temperatura termodinamica, exergia, espressione matematica del 2° principio, piani termodinamici.
Il teorema di Carnot
Conseguenze del teorema di Carnot
Definizione della Temperatura termodinamica
Il concetto di exergia. Analisi exergetica di un processo.
Teorema di Clausius; istituzione della funzione di stato Entropia
Analisi termodinamica della reversibilità dei processi alla luce del 2° P. d. T
Piani termodinamici di usuale impiego in termotecnica Piano (T,s,),
Piano (h,s),
Piano(p,h)
e rappresentazione dei processi fondamentali in tali piani

Metodi Didattici

A causa della diffusione del Covid-19 si potrà presentare la necessità di soddisfare specifiche esigenze didattiche che siano funzionali al rispetto dei provvedimenti di distanziamento sociale. A tal fine la didattica dovrà prevedere la possibilità di essere svolta per essere contemporaneamente accessibile sia in presenza sia online. I contenuti delle lezioni potranno quindi essere fruiti sia direttamente nelle aule universitarie e al contempo anche da remoto. Prima dell’inizio del semestre, ogni studente potrà optare, con scelta vincolante, per seguire la didattica in presenza o a distanza. In funzione della disponibilità delle aule e del numero di studenti che opteranno per la modalità in presenza, potrà essere prevista comunque una turnazione per l'effettivo accesso in aula."

INTRODUZIONE ALLA TERMODINAMICA (teoria 4 ore, esercitazioni 1 ora )
CALORE E RADIAZIONE TERMICA (teoria 8 ore esercitazioni 6 ore)
IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA PER SISTEMI SENZA DEFLUSSO (teoria 9 ore esercitazioni 4 ore)
TERMODINAMICA DEI sistemi aperti (teoria 4 ore esercitazioni 2 ore)
CONVERSIONE DEL CALORE IN LAVORO 2° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
MACCHINE TERMICHE MOTRICI E FRIGORIFERE (teoria 5 ore esercitazioni 2 ore)
ANALISI DEI PROCESSI DI CONVERSIONE ESEGUITI DALLE MACCHINE TERMICHE MOTRICI E DELLE MACCHINE TERMICHE FRIGORIFERE. EFFICIENZA DI CONVERSIONE E ANALISI DELLE IRREVERSIBILITÀ.
TEOREMI CARDINALI, TEMPERATURA TERMODINAMICA, EXERGIA, ESPRESSIONE MATEMATICA DEL 2° PRINCIPIO, PIANI TERMODINAMICI (teoria 9 ore esercitazioni 6 ore)

Verifica dell'apprendimento

La verifica dei risultati dell'apprendimento consiste in una prova scritta e in una prova orale.
La verifica è orientata a stabilire la capacità dello studente nel formulare il corretto inquadramento termodinamico di un problema fisico in cui sono coinvolti scambi di calore per conduzione e convezione, di radiazione, di lavoro e di massa che causano un processo termodinamico di un dato sistema. Tale formulazione deve avvenire in coerenza con le approssimazioni e relative stime, legate alle eventuali semplificazioni dei casi di studio proposti negli esercizi. Il fine è quello di stabilire i rapporti quantitativi di causa ed effetto, in accordo con i principi della termodinamica, tra le entità di scambio, calore, radiazione termica e lavoro e l’evoluzione delle coordinate termodinamiche che descrivono lo stato di un sistema.
La prova scritta consiste nello svolgimento di 6 quesiti puntuali che riguardano gli argomenti svolti a lezione, di cui:
2 quesiti di teoria:
I quesiti sulle parti puramente teoriche del corso riguardano gli enunciati dei principi della termodinamica, i teoremi cardinali, la descrizione dei meccanismi e delle leggi di scambio termico e in generale tutti i risultati notevoli raggiunti tramite dimostrazione puramente teorica
4 esercizi di applicazione numerica riguardanti prevalentemente i seguenti aspetti.
a) l’applicazione del primo e del secondo principio della termodinamica per sistemi chiusi e per sistemi aperti.
b) il calcolo delle variazioni delle grandezze di stato energia interna, entalpia ed entropia a seguito di processi sia reversibili che irreversibili causate da scambio di lavoro, calore, radiazione e massa.
c) analisi dei processi di conversione eseguiti dalle macchine termiche motrici e delle macchine frigorifere. Efficienza di conversione e analisi delle irreversibilità.
d) determinazione degli scambi termici e della distribuzione della temperatura in problemi basati sulla presenza di meccanismi di scambio termico sia semplice che combinato.
A ciascun quesito può essere attribuito un punteggio minimo di zero punti e un massimo di sei punti.
Qualora fossero correttamente svolte cinque risposte tra i 6 quesiti proposti, allora si è in grado di raggiungere il massimo punteggio pari a (30/30).

Tutte le risposte formulate durante lo scritto e che non saranno supportate da un'adeguata giustificazione teorica e/o numerica potranno non essere giudicate con punteggio pieno.

La prova orale può essere sostenuta solo a condizione di aver superato la prova scritta. La prova orale consiste in una serie di domande, massimo tre, finalizzate a verificare la padronanza degli argomenti che l’allievo ha già sviluppato in risposta ai 6 quesiti della prova scritta, o potrà consistere in una verifica puntuale di alcuni quesiti della prova scritta che sono stati tralasciati dal candidato.
Alla prova orale può essere attribuito un punteggio minimo di zero punti e un massimo di 3 punti che verranno addizionati al punteggio conseguito per la prova scritta.
Il voto finale sarà ottenuto dalla somma del punteggio conseguito per la prova scritta e il punteggio della prova orale.

Testi

"Fondamenti di termodinamica per ingegneri" M.W Zemansky M.M. Abbott H.C. Van Hess Zanichelli
"Lezioni di Fisica Tecnica" Paolo Giuseppe Mura Cuec editore
"Principi di trasmissione del calore" Frank Kreith Liguori Editore
"Termodinamica Applicata" Lino Mattarolo Cleup editrice
Thermodynamics: An Engineering Approach, Yunus A. Çengel, Michael A. Boles Mc Graw Hill
Per ulteriori esercizi completamente svolti ci si può riferire ai seguenti libri
Fisica Tecnica Esercizi di Giancarlo Giambelli e Cesare Magli , Maggioli Editore
Esercizi svolti di Termodinamica Volumi I, II, III e Tabelle P. Gregorio Levrotto e Bella Libreria Editrice Universitaria
Esercitazioni di Fisica Tecnica Boris Igor Palella , Aracne Editrice
Esercizi di Termofluidodinamica, Beatrice Pulvirenti, Progetto Leonardo Editore
Teoria ed esercizi di Trasmissione del Calore e Termofluidodinamica, Marco Spiga , Progetto Leonardo editore

Altre Informazioni

http://people.unica.it/robertobaccoli/didattica/

http://people.unica.it/lrobertobaccoli/didattica/

Questionario e social

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