Obiettivi Formativi

Il corso si pone come obiettivo quello di: far acquisire agli studenti un’adeguata conoscenza e comprensione dei principi teorici della disciplina, fondamentali per le scienze ingegneristiche e per le loro realtà applicative; far sviluppare la capacità di applicare in maniera autonoma le nozioni teoriche per impostare, analizzare e risolvere problemi teorici anche complessi relativi alla Fisica Tecnica Ambientale; far conseguire la capacità di raccogliere e interpretare i dati utili anche attraverso operazioni di rilievo strumentale in piena autonomia; usare in maniera appropriata i linguaggi tecnici e scientifici specifici della disciplina anche per comunicare tra attori diversi nel settore dell'ingegneria civile; acquisire adeguati metodi di studio, di descrizione e di indagine scientifica che serviranno ad approfondire le conoscenze della Fisica Tecnica Ambientale all’ambiente nel campo dell’Ingegneria civile.

Learning Goals

The course aims: to allow students to acquire adequate knowledge and understanding of the theoretical principles of the discipline, fundamental for the engineering sciences and their application realities; to develop the ability to independently apply theoretical notions to set up, analyze and solve even complex theoretical problems relating to Environmental Technical Physics; to achieve the ability to collect and interpret useful data also through instrumental operations in full autonomy; appropriately use the specific technical and scientific languages of the discipline also to communicate between different actors in the civil engineering sector; acquire adequate study, description and scientific investigation methods that will serve to deepen the knowledge of Environmental Technical Physics to the environment in the field of civil engineering.

Metodi didattici

Il corso prevede lo svolgimento di lezioni frontali alla lavagna e di esercitazioni numeriche in classe sia individuali che di gruppo. Nel corso delle lezioni e delle esercitazioni si stimolerà costantemente negli studenti l’analisi critica degli argomenti trattati così che possano verificare il proprio livello di comprensione acquisendo, al contempo, un linguaggio tecnico adeguato e la capacità di applicare le tematiche affrontate.

Teaching Methods

The course includes lectures in the classroom and numerical exercises both individually and in group class. During the lessons and exercises, students will be constantly stimulated for the critical analysis of the topics covered so that they can verify their level of understanding while acquiring an adequate technical language and the ability to apply the issues addressed.

Prerequisiti

Per superare l'esame del corso di Fisica Tecnica Ambientale vengono richieste come prerequisiti la conoscenza di base degli argomenti trattati nel corso di Fisica e Analisi matematica I e II.

Prerequisites

To pass the exam of the Environmental Technical Physics course, basic knowledge of the topics covered in the Physics and Mathematical Analysis I and II courses are required as prerequisites.

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento prevede un esame composto da una prova scritta e da una prova orale cui è possibile accedere solo previo superamento della prova scritta. La valutazione delle prove viene espressa mediante votazione in trentesimi. La prova scritta consiste nella risoluzione di tre problemi vertenti su tutto il programma svolto. La prova scritta è giudicata insufficiente se da essa si evince che lo studente non è in grado di applicare le conoscenze acquisite. La prova orale consiste nell'esposizione di argomenti vertenti su tutto il programma svolto di cui verrà giudicata la capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza, la capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato, la qualità dell’esposizione, la competenza nell’impiego del lessico specialistico nell'esposizione degli argomenti nonché il rigore metodologico. La votazione finale è la media del voto riportato nella prova scritta e nella prova orale. Per sostenere la prova scritta è consentito l’uso di calcolatrici, tabelle e formulari. Il termine di validità della prova scritta, se superata, è di un anno accademico.

Assessment

The assessment of the learning involves an exam consisting of a written test and an oral test which can be accessed only if the result of the written test is sufficient. The evaluation of the tests is expressed by score out of thirty. The written test consists in solving three problems concerning the whole program. The written test is judged insufficient if it shows that the student is unable to apply the knowledge acquired. The oral exam consists in the presentation of arguments on the entire program. During the examination it will be judged the ability to discursively organize knowledge, the critical reasoning skills on the study conducted, the quality of the exposition, the expertise in the use of specialized vocabulary in the presentation as well as the methodological rigor. The final score is the average of the scores obtained in the written and oral tests. During the written test the use of, calculators, tables and formulas is allowed. The term of validity of the written test, if passed, is one academic year.

Programma del Corso

GENERALITA’. Equilibrio termodinamico. Lavoro meccanico e calore. Principio zero. Scale di temperatura. Trasformazioni. I PRINCIPIO. Equivalenza calore-lavoro. I principio. Schema dell’energia. Gas perfetti: energia interna e calori specifici. Politropiche. Calcolo del calore e lavoro scambiati lungo una politropica. II PRINCIPIO. Enunciati storici. Ciclo di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Entropia. Calcolo delle variazioni di entropia. Lavoro massimo. SISTEMI APERTI. Primo principio per i sistemi aperti. Caldaie; scambiatori di calore; compressori alternativi; valvole di laminazione (Joule-Thomson). TRANSIZIONI DI FASE. Regola delle fasi: curve di coesistenza e punti tripli. Equazione di Clapeyron. Formule empiriche per l’acqua. Diagrammi (P,V),(P,T),(T,S),(H,S),(P,H). Calcolo delle principali grandezze termodinamiche con l’ausilio di diagrammi e tabelle. CICLI TERMODINAMICI. Cicli Otto, Diesel, Stirling, Brayton-Joule, Rankine. Ciclo frigorifero a compressione di vapore saturo. Calcolo dei coefficienti di prestazione. ELEMENTI DI PSICROMETRIA. Miscele di gas perfetti. Miscele di aria e vapor d'acqua. Psicrometria. Entalpia associata. Diagrammi psicrometrici di Mollier e di Carrier. Trasformazioni principali dell'aria umida. Trasformazioni tipiche per il condizionamento invernale ed estivo. MOTO DEI FLUIDI. Equazione di continuità. Legge di Poisseille. Distribuzione degli gli sforzi. Strato limite idrodinamico. Equazione di Bernoullì. Calcolo delle perdite di carico distribuite. Abaco di Moody. Calcolo delle perdite di carico concentrate. Formula di Borda. Progetto di un circuito idraulico. CONDUZIONE. La legge di Fourier. Equazione generale della conduzione. Calcolo del flusso termico e della distribuzione di temperatura in una parete piana semplice e multistrato e in un manicotto cilindrico semplice e multistrato. Reti di resistenze termiche. CONVEZIONE. Convezione forzata, naturale e mista. Legge di Newton. Metodo dell’analisi dimensionale. Applicazioni a problemi semplici. IRRAGGIAMENTO. Riflessione assorbimento e trasmissione. Sorgenti. Flusso energetico e grandezze derivate. Legge di Kirchhoff. Corpo nero e corpo grigio. Scambi termici tra superfici nere e grigie. Schermi alla radiazione termica. Calcolo degli scambi termici in cavità con il metodo dell’analogia elettrica. FORME MISTE. Trasmissione del calore tra due fluidi separati da una parete piana o cilindrica. Raggio critico di isolamento. Alette di raffreddamento. Dimensionamento di una superficie alettata. Transitori termici. Scambiatori di calore. Dimensionamento di uno scambiatore di calore. CENNI DI TERMOFISICA DELL’EDIFICIO. Componenti opache e trasparenti. Trasmittanza termica. Ponti termici. Formazione di condensa superficiale ed interstiziale. Bilancio termico e di massa di un edificio. Carichi termici invernali e estivi. Cenni sulle tipologie impiantistiche per il riscaldamento e la climatizzazione degli ambienti. Impianti integrati per l’utilizzo di energie rinnovabili.

Course Syllabus

GENERALITY. Thermodynamic equilibrium. Work and heat. The zero Law. Temperature scales. Processes. THE I LAW. Work-heat equivalence. The first law. The energy scheme. Ideal gases: internal energy and specific heats. Polytropic processes. Calculation of the heat and of the work exchanged along a polytropic. THE II LAW. Historical formulations. Carnot cycle. The Kelvin temperature scale. Entropy. Calculation of the entropy changes. Maximum work. CONTROL VOLUMES. The I law for a control volume. Boilers. Heat exchangers. Compressors. Throttling valves. (the Joule-Thomson process). PHASE CHANGES. The phases rule. Coexistence lines and triple points. Clapeyron equation. Empirical formulas for water. Diagrams (P,V), (P,T), (T,S), (H,S), (P,H). Calculation of the main thermodynamic variables by the use of diagrams and tables. TERMODYINAMIC CYCLES. Otto, Diesel, Stirling, Brayton-Joule, Rankine cycles. The vapor compression refrigeration cycle. Calculation of performance coefficients. ELEMENTS OF PSICROMETRY. Perfect gas mixtures. Mixtures of air and water vapor. Psychrometrics. Associated enthalpy. Psychrometric charts of Mollier and Carrier. Main transformations of humid air. Typical transformations for winter and summer conditioning. FLUIDS MOTION. The conservation equation. The Poisseille law. The stresses distribution. The hydrodynamic boundary layer. The Bernoulli equation. Calculation of the distributed energy losses. Moody abacus. Calculation of the concentrated energy losses. Borda formula. Design of a hydraulic network. THERMAL CONDUCTION. Fourier law. The heat conduction equation. Calculation of the heat flux and temperature distribution in a simple and composite slab and in a simple and composite cylinder. Equivalent thermal networks. THERMAL CONVECTION. Free, forced and mixed convection. Newton law. The dimensional analysis method. Application to simple problems. THERMAL RADIATION. Reflection, absorption and transmission. Sources. Energy flux and derived parameters. Kirchhoff law. The black body. The grey body. Heat exchange between black or grey surfaces. Radiation shields. Calculation of heat exchanges in cavities with the electrical analogy method. COMBINED HEAT TRANSFER. Heat transfer between two fluids separated be a plane or cylindrical wall. The critical insulation radius. Fins. Design of a finned surface. Transient heat transfer. Heat exchangers. Design of a heat exchanger. BUILDING THERMOPHYSICS. Opaque and transparent building components. Thermal transmittance. Thermal bridges. Superficial and interstitial condensation. Thermal and mass balance of a building. Winter and summer heat loads. Main systems for heating and air conditioning of the environments. Integrated systems that use renewable energy.