Obiettivi Formativi

Il corso si prefigge di: OF 1 (Conoscenza e comprensione): far acquisire agli studenti di ingegneria un bagaglio di conoscenze di base sui principi fondamentali che regolano la conversione, la trasmissione e l’utilizzazione dell’energia; far acquisire abilità tecniche e metodologie di risoluzioni di problemi tipici concernenti le trasformazioni termodinamiche dei sistemi chiusi e aperti e la trasmissione del calore nei suoi differenti meccanismi, compreso il dimensionamento di dispositivi di base di scambio termico; far acquisire la capacità di formulare ed analizzare, attraverso un metodo scientifico rigoroso, un qualunque problema dell'ingegneria termica di base. OF 2 (Capacità di applicare conoscenza e comprensione): far sviluppare la capacità di applicare le conoscenze teoriche acquisite attraverso la risoluzione di problemi semplici o di media complessità dell’ingegneria termica di base con metodi analitici e di modellazione adeguati. OF 3 (Autonomia di giudizio): far sviluppare la capacità di elaborazione autonoma dei concetti, di interpretazione dei dati e di analisi critica dei risultati di studio; far sviluppare la capacità di svolgere ricerche bibliografiche e di discernere l'utilità delle informazioni ottenute anche per formulare modellizzazioni adeguate dei problemi affrontati; fornire inoltre le conoscenze di base per l’interpretazione della letteratura tecnica e l’utilizzo di dati sperimentali. OF 4 (Abilità comunicative): far sviluppare la capacità di comunicare informazioni, idee, problemi e soluzioni con linguaggio tecnico appropriato a interlocutori specialisti e non specialisti. OF 5 (Capacità di apprendimento): far acquisire un metodo di studio individuale adeguato a consentire l'approfondimento delle conoscenze e ad affrontare ulteriori tematiche avanzate o settoriali.

Learning Goals

The course aims: OF 1 (Knowledge and understanding): to provide engineering students with a wealth of basic knowledge on the fundamental principles governing the conversion, transmission and use of energy; to acquire technical skills and methodologies for solving typical problems concerning the thermodynamic transformations of closed and open systems and the transmission of heat in its different mechanisms, including the sizing of basic heat exchange devices; to acquire the ability to formulate and analyze, through a rigorous scientific method, any problem of basic thermal engineering. OF 2 (Ability to apply knowledge and understanding): to develop the ability to apply the theoretical knowledge acquired through the resolution of simple or medium complexity problems of basic thermal engineering with appropriate analytical and modeling methods. OF 3 (Autonomy of judgment): to develop the capacity for autonomous processing of concepts, data interpretation and critical analysis of study results; to develop the ability to carry out bibliographic research and to discern the usefulness of the information obtained, also to formulate adequate models of the problems addressed; provide, in addition, basic knowledge for the interpretation of technical literature and the use of experimental data. OF 4 (Communication skills): to develop the ability to communicate information, ideas, problems and solutions with appropriate technical language to specialist and non-specialist interlocutors. OF 5 (Learning skills): to acquire an adequate individual study method to allow the deepening of knowledge and to address further advanced or sectoral issues.

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 at the blackboard 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

È richiesta una conoscenza del contenuto dei corsi di Analisi Matematica (calcolo differenziale e integrale) e Fisica Generale (dimensioni e unità di misura; forza, energia e lavoro; principi e leggi fondamentali della meccanica e della fluidodinamica).

Prerequisites

It is required the knowledge of the content of the courses of Mathematical Analysis (differential and integral calculus) and General Physics (dimensions and units of measure; forces, energy and work; fundamental principles and laws of mechanics and fluid dynamics).

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 se il risultato della prova scritta è sufficiente. 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 anche giudicata la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti nonché il rigore metodologico. Gli studenti che frequentano regolarmente il corso potranno svolgere delle prove in itinere il cui superamento li esonera dalla prova scritta. La partecipazione alle prove in itinere non è obbligatoria. Sono previste due prove in itinere, una a metà corso e una al termine del corso. La prima e la seconda prova consistono nella risoluzione di esercizi vertenti rispettivamente sulla parte di termodinamica e sulla parte di trasmissione del calore del programma. Se una delle due prove non viene superata lo studente dovrà sostenere la prova scritta prevista negli appelli d’esame ordinari risolvendo esclusivamente gli esercizi vertenti sugli argomenti della prova in itinere non superata. Il termine di validità delle prove in itinere o della prova scritta, se superati, è di un anno solare dalla data dell’esame o dell’ultima prova. La votazione finale è la media delle votazioni riportate nella prova scritta (o nelle prove in itinere) e nella prova orale.

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 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. The language skills in the presentation of the arguments as well as the methodological rigor will also be judged. Students who regularly attend the course will be able to carry out ongoing tests, the passing of which will exempt them from the written test. Participation in the ongoing tests is not mandatory. There are two ongoing tests, one halfway through the course and one at the end of the course. The first and second tests consist in solving exercises on the thermodynamics part and heat transmission part of the program, respectively. If one of the two tests is not passed, the student will have to do the written test foreseen in the ordinary exam sessions, solving only the exercises on the topics of the non-passed ongoing test. The term of validity of the on-going tests or of the written test, if passed, is one calendar year from the date of the exam or the last test. The final grade is the average of the grades reported in the written test (or in the ongoing tests) and in the oral test.

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. 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.

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. 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.