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Diego ANGELI
Professore Associato
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria
Docente in convenzione
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Fisica tecnica industriale
Ingegneria meccatronica (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
L'insegnamento fornisce le conoscenze di base sulla termodinamica classica, sulla applicazione dei principi della termodinamica a processi di conversione dell'energia e di condizionamento dell'aria, sulla meccanica dei fluidi, sulle modalità di trasmissione del calore e sulla modellazione di processi reali di scambio termico. Al termine dell'insegnamento, lo studente dovrebbe essere in grado di analizzare processi e sistemi termofluidodinamici, al fine di determinarne l'efficienza e di effettuarne un dimensionamento di massima.
Prerequisiti
Principi fondamentali dell'analisi matematica (e.g., derivate e integrali di funzioni in una o più variabili, operatori differenziali vettoriali) e della fisica generale (e.g., concetti di forza e di energia)
Programma del corso
Termodinamica generale (3 CFU, 27 ore)
1. Sistemi, processi, trasformazioni e proprietà
2. Interazioni tipo lavoro e calore; I principio della termodinamica; calore specifico; bilanci energetici e di massa per sistemi chiusi e aperti
3. II principio della termodinamica: enunciati secondo Kelvin-Planck e Clausius; teorema di Carnot, efficienza e coefficiente di effetto utile; scala termodinamica delle temperature; disuguaglianza di Clausius; entropia; rendimento termodinamico
4. Sistemi semplici monocomponenti: stato e transizioni di fase; diagrammi di stato; sostanza incomprimibile; gas ideali e principali trasformazioni
Termodinamica applicata (2 CFU, 18 ore)
5. Cicli a vapore: componenti; cicli di Carnot e Rankine/Hirn; ciclo frigorifero; pompe di calore
6. Cicli a gas: ciclo di Carnot; cicli rigenerativi; cicli a combustione interna
7. Miscele di aria umida: proprietà; diagramma psicrometrico e trasformazioni psicrometriche
Meccanica dei fluidi (2 CFU, 18 ore)
8. Moto dei fluidi
9. Statica dei fluidi
10. Teoria della similitudine e analisi dimensionale; gruppi adimensionali
11. Equazioni di bilancio: continuità, conservazione della quantità di moto, equazione di Bernoulli e bilancio dell'energia meccanica
12. Regione di ingresso e flusso completamente sviluppato; moto di Poiseuille; perdite di carico
13. Ristagno, strato limite, stallo, separazione e scia; coefficienti di pressione e attrito
14. Circuiti idraulici e accoppiamento con macchine operatrici
Trasmissione del Calore (2 CFU, 18 ore)
15. Conduzione: legge ed equazione di Fourier; conduzione stazionaria; analogia elettrotermica
16. Convezione: strato limite termico; convezione naturale, forzata, mista; legge di Newton del raffreddamento; determinazione del coefficiente di scambio termico
17. Irraggiamento: definizioni; leggi della radiazione di corpo nero; proprietà radiative delle superfici reali; analogia elettrotermica
18. Processi combinati di scambio termico: isolamento termico; progetto e verifica di scambiatori di calore
La scansione dei contenuti per CFU e numero di ore dedicate è da intendersi come indicativa; potranno essere introdotte modifiche nel corso dell’insegnamento
Metodi didattici
L'insegnamento prevede lezioni frontali in presenza, che includono la parte teorica ed esercitazioni dedicate. Le lezioni vengono svolte con l'ausilio di supporti audiovisivi (i.e., proiezioni di scrittura su tavoletta grafica, presentazioni, documentazione scritta) e supporti tipici della materia (e.g., tabelle, diagrammi).
La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. L'insegnamento è offerto in lingua italiana.
La modalità di erogazione delle lezioni potrebbe variare per cause contingenti.
Testi di riferimento
Nell'area del portale UNIMORE Moodle dedicata all'insegnamento, sarà resa disponibile la documentazione curata/redatta dal docente (i.e., dispense, appunti delle lezioni svolte in aula, esercitazioni e ulteriori documenti in formato testo, contenuti audiovisivi), tabelle e diagrammi di impiego specifico, esempi di prova scritta con testo e soluzioni commentate.
(Handouts and exercises curated by the lecturer will be made available in the dedicated area of the UNIMORE Moodle portal, as well as lecture notes, further documents, audiovisual contents, tables and charts, examples of written exam with commented solutions.)
Testo consigliato / main reference textbook:
M.J. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria, Edizione italiana a cura di M.A. Corticelli, McGrawHill, 2011
Altri testi di riferimento / other recommended textbooks:
Y.A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, Edizione italiana a cura di G. Dall’O’ e L. Sarto, McGraw-Hill, 2013
A. Cocchi, Elementi di termofisica generale e applicata, Esculapio, 1998
E. Fermi, Termodinamica, Bollati Boringhieri, 1958
E. Zanchini, Termodinamica, Pitagora, 1993
M. W. Zemansky, M.M. Abbott, H.C. Van Ness, Fondamenti di Termodinamica per Ingegneri, Zanichelli, 1987
F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L. Bergman, A.S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Wiley, 2007
Esercizi / exercises:
P. Gregorio, Fisica tecnica – Esercizi svolti, Levrotto & Bella, 1999
M. Spiga, Esercizi di termodinamica applicata, Esculapio, 2011
Verifica dell'apprendimento
La verifica dell’apprendimento consta di due prove consequenziali al termine dell’insegnamento, secondo il calendario ufficiale degli appelli d’esame:
1. Prova scritta che prevede la soluzione quantitativa di esercizi sui seguenti argomenti:
- proprietà e trasformazioni di sostanze pure;
- processi di conversione dell'energia (cicli a vapore, cicli a gas, cicli frigoriferi) e di condizionamento termoigrometrico di miscele d'aria e vapor d'acqua
- meccanica dei fluidi e dimensionamento di circuiti idraulici
- modalità e processi di trasmissione del calore.
La prova scritta viene erogata in presenza, a meno di cause contingenti. La prova scritta dura 2 ore e include, di solito, 4 esercizi, ciascuno dei quali può presentare uno o più quesiti. Il punteggio massimo di ciascun esercizio varia, di solito, tra 7 e 9 punti. Viene valutata sia la soluzione quantitativa, sia il procedimento di soluzione. Durante la prova scritta, si consente l'uso di calcolatrice non programmabile, tabelle delle proprietà di acqua e refrigeranti, diagramma di Moody e diagrammi relativi a scambiatori di calore; non è ammessa la consultazione di qualsivoglia ulteriore fonte di informazioni (e.g., libri, appunti, siti web). Il punteggio minimo per il superamento dell'esame scritto e per l'accesso al successivo esame orale è fissato a 18 su 33 punti disponibili.
La prova scritta è finalizzata a valutare le conoscenze e la capacità di applicarle alla risoluzione di problemi ingegneristici, e la capacità di comprensione.
Gli esiti di ciascun esame scritto verranno pubblicati sulla piattaforma web Esse3 UNIMORE entro 10 giorni dalla data dell'appello stesso, a meno di imprevisti. La validità della prova scritta è di un anno solare (equivalente ai 7 appelli orali successivi alla prova scritta superata, al netto degli appelli straordinari per studenti fuori corso).
2. Prova orale, volta a verificare le conoscenze, la capacità di comprensione, l'autonomia di giudizio e le abilità comunicative dello studente attraverso quesiti ed esercizi da svolgersi in forma simbolica, riguardanti le tre macro aree in cui è suddiviso il programma dell’insegnamento. La prova orale non sarà superata qualora il candidato risultasse impreparato su un aspetto significativo del programma, a giudizio insindacabile del docente e indipendentemente dall’andamento precedente dell’esame stesso.
La prova orale viene erogata in presenza, a meno di cause contingenti.
La valutazione finale è determinata a partire dal voto conseguito nella prova scritta, con un’incidenza significativa della preparazione dimostrata nella prova orale, a discrezione dell'esaminatore.
Risultati attesi
Conoscenza e comprensione:
si giungerà a comprendere e interpretare secondo modelli fisici il comportamento di sistemi termodinamici ideali e reali, le leggi fondamentali della meccanica dei fluidi, le modalità di trasmissione del calore.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
si arriverà a sviluppare la capacità di applicare le conoscenze acquisite a problemi di interesse ingegneristico e industriale nelle aree della termodinamica, dello scambio termico e della meccanica dei fluidi
Autonomia di giudizio:
si raggiungerà la capacità di determinare in autonomia la scelta delle soluzioni ottimali per la soluzione di problemi di interesse ingegneristico e industriale nelle aree della termodinamica, dello scambio termico e della meccanica dei fluidi
Abilità comunicative:
si svilupperà la capacità di comunicare - verbalmente e per iscritto - quanto illustrato nel programma dell'insegnamento e le soluzioni adottate nei confronti di problemi specifici
Capacità di apprendimento:
si svilupperà la capacità di implementare una logica di apprendimento e aggiornamento continuo su temi di termofluidodinamica