Obiettivi Formativi

Il corso si prefigge di 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. 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. 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. Far sviluppare la capacità di comunicare informazioni, idee, problemi e soluzioni con linguaggio tecnico appropriato a interlocutori specialisti e non specialisti. 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 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. 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. 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. To develop the ability to communicate information, ideas, problems and solutions with appropriate technical language to specialist and non-specialist interlocutors. 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 e di esercitazioni numeriche in classe guidate dal docente, sia individuali che di gruppo. Le lezioni verranno svolte tramite presentazioni power point e tramite l’utilizzo della lavagna. 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 guided exercises in the classroom with teacher support, both individually and in groups. The lectures will be provided with the support of power point presentation and by using the blackboard. Students will constantly be encouraged to critically analyze the topics covered to verify their level of understanding while acquiring, at the same time, an adequate technical language and the ability to apply the issues addressed.

Prerequisiti

È richiesta una conoscenza 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 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 esercizi numerici 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. I parametri di valutazione della prova scritta riguardano primariamente la capacità di applicazione delle conoscenze acquisite nella risoluzione di problemi numerici. Nelle prove orali si approfondiranno i livelli delle conosce acquisite, l’abilità di organizzare discorsivamente la conoscenza e la capacità di ragionamento critico, così come la qualità dell’esposizione. Gli studenti che frequentano regolarmente il corso potranno svolgere delle prove in itinere scritte 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, ciascuna delle quali consistente di due esercizi. 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 la fine del corrente anno accademico (30 Settembre). Le prove in itinere e l’esame scritto verranno giudicati come approvati o non approvati per l’accesso all’esame orale. La valutazione finale, espressa in trentesimi, terrà conto della valutazione complessiva della prova scritta e di quella orale. Durante le prove scritte, gli studenti potranno utilizzare calcolatrici, tabelle e grafici.

Assessment

The exams will consist of a written exam and an oral interview-based exam. Access to the oral interview is subject to the sufficient evaluation of the written exam. The written exam consists of solving three exercises concerning the entire program. The written exam is deemed insufficient if it is clear from it that the student is not able to apply the knowledge acquired. The oral interview consists of the discussion of topics concerning the whole program. The evaluation parameters of the written exam primarily concerns with the ability to apply the acquired knowledge in solving numerical problems. In the oral exam the levels of knowledge acquired, the ability to discursively organize knowledge and critical reasoning skills, as well as the quality of the presentation, will be evaluated. Students who regularly attend the course will have the possibility to carry out ongoing written exams. The positive evaluation of the ongoing written test will exempt the students from the final written one. Participation in the ongoing tests is not compulsory. There are two ongoing tests, one immediately after the first half of the course and one after the second half. If one of the two ongoing written tests is not passed, the student will have to take the written exam provided for in the ordinary exam sessions, solving only the exercises relating to the topics of the ongoing test not passed. The validity of the ongoing test or the final written exam, if passed, is the end of the current academic year (September 30th). The evaluation of the written exam and the ongoing tests is expressed as pass/fail, while the score of the final evaluation is expressed as score out of thirty and takes into account both the written and the oral interview-based exam. During oral interview and written exams, the student will be allowed using the calculator, tables, and graphs.

Programma del Corso

- INTRODUZIONE: 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. 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

- INTRODUCTION: Thermodynamic equilibrium. Mechanical work and heat. Zero principle. Temperature scales. Transformations. - I PRINCIPLE: Heat-work equivalence. I principle. Energy scheme. Perfect gases: internal energy and specific heats. Polythropic. Calculation of heat and work exchanged along a polytropic. - II PRINCIPLE: Historical statements. Carnot cycle. Absolute thermodynamic temperature. Entropy. Calculation of entropy variations. Maximum work. - OPEN SYSTEMS: First principle for open systems. Boilers; heat exchangers; reciprocating compressors; lamination valves (Joule-Thomson). - PHASE TRANSITIONS: Phase rule: coexistence curves 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 quantities with the aid of diagrams and tables. - THERMODYNAMIC CYCLES: Otto, Diesel, Stirling, Brayton-Joule, Rankine cycles. Saturated steam compression refrigeration cycle. Calculation of performance coefficients. - FLUID MOTION: Continuity equation. Poisseille's law. Hydrodynamic boundary layer. Bernoulli equation. Calculation of distributed losses. Moody's abacus. Calculation of concentrated losses. Borda's formula. Design of a hydraulic circuit. - CONDUCTION: Fourier's law. General equation of conduction. Calculation of heat flow and temperature distribution in a single multilayer flat wall and a single multilayer cylindrical sleeve. Thermal resistance networks. - CONVECTION: Forced, natural and mixed convection. Newton's law. Dimensional analysis method. Applications to simple problems. - RADIATION: Reflection, absorption, and transmission. Sources. Energy flux and derived quantities. Kirchhoff's law. Black body and gray body. Thermal exchanges between black and gray surfaces. Thermal radiation shields. Calculation of thermal exchanges in cavities with the method of electrical analogy. - MIXES: Transmission of heat between two fluids separated by a flat or cylindrical wall. The critical radius of isolation. Cooling fins. Sizing of a finned surface. Thermal transients. Heat exchangers. Sizing of a heat exchanger.