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Marco CAVAZZUTI
Ricercatore t.d. art. 24 c. 3 lett. B
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria
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Insegnamento: Fisica tecnica industriale
Ingegneria gestionale (Offerta formativa 2023)
Obiettivi formativi
L'insegnamento fornisce le conoscenze di base sulla termodinamica classica, sull'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 ed effettuarne un dimensionamento di massima.
Prerequisiti
Principi fondamentali dell'analisi matematica (e.g., derivate e integrali di funzioni) 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. La videotrasmissione in diretta (i.e., streaming) delle lezioni può essere offerta attraverso piattaforme dedicate (e.g., MS Teams nel Team dell'insegnamento). Le lezioni vengono svolte con l'ausilio di supporti audiovisivi (i.e., presentazioni e documentazione scritta) e supporti tipici della materia (e.g., tabelle, diagrammi).
La frequenza alle lezioni non è obbligatoria, ma consigliata. L'insegnamento è offerto in lingua italiana. Peraltro, i contenuti dell'insegnamento sono presentati e discussi nel materiale didattico in lingua inglese (i.e., libri di testo), indicato nella sezione dedicata.
La modalità di erogazione delle lezioni potrebbe variare per cause contingenti.
È possibile intraprendere un percorso di approfondimento (i.e., studio e successiva relazione) sulle seguenti tematiche, suddivise per macroarea:
- ciclo Stirling, torri evaporative e climatizzazione con riscaldamento
- fenomeni di turbolenza e flussi esterni
- scambio termico in regime transitorio.
Il materiale oggetto di studio deve essere discusso e concordato con il/i docente/i, in relazione al caso specifico.
Testi di riferimento
Nell'area del portale Moodle UNIMORE dedicata all'insegnamento, sarà resa disponibile la documentazione curata/redatta dal docente (i.e., presentazioni, esercitazioni e ulteriori documenti in formato testo), tabelle e diagrammi di impiego specifico, esempi di prova scritta con testo e soluzioni commentate. Inoltre, videolezioni potranno essere rese disponibili in modalità di sola visualizzazione sul Team dell'insegnamento, presente su piattaforma MS Teams.
Testo consigliato:
M.B. Bailey, D.D. Boettner, 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, McGraw-Hill, 2022
Altri testi di riferimento:
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
F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L. Bergman, A.S. Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer, Wiley, 2007
E. Zanchini, Termodinamica, Pitagora, 1993
M. W. Zemansky, M.M. Abbott, H.C. Van Ness, Fondamenti di termodinamica per ingegneri, Zanichelli, 1987
Esercizi:
P. Gregorio, Fisica tecnica – Esercizi svolti, Levrotto & Bella, 1999
M. Spiga, Esercizi di termodinamica applicata, Esculapio, 2011
Testi consigliati per la preparazione dell'esame in lingua inglese / Textbooks suggested for preparing for the exam in English:
Y.A. Çengel, Thermodynamics: An engineering approach, McGraw-Hill, 2018 (con esercizi / with exercises)
M.J. Moran, H.N. Shapiro, Fundamentals of engineering thermodynamics, Wiley, 2019 (con esercizi / with exercises)
F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L. Bergman, A.S. Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer, Wiley, 2007
F.M. White, Viscous fluid flow, Mc-Graw-Hill, 2006
Verifica dell'apprendimento
La verifica dell’apprendimento consta di due prove consequenziali al termine dell’insegnamento:
1. Prova scritta che prevede la soluzione quantitativa di esercizi sui seguenti argomenti:
- trasformazioni di sostanze pure;
- conversione dell'energia e condizionamento termoigrometrico di miscele d'aria umida
- meccanica dei fluidi
- 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 d'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, finalizzata 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.
Gli studenti in corso e che frequentano le lezioni dell'insegnamento per la prima volta possono anche sostenere l'esame attraverso una prova intermedia e una finale. Ciascuna prova dura 2 ore e include una parte di esercizi (max. 15 punti totali) e una di teoria (max. 18 punti totali). La parte di esercizi è superata se il voto conseguito in ogni prova è almeno pari a 5 e la somma dei voti conseguiti in quella parte è almeno pari a 18. Se la parte di esercizi viene superata, la parte di teoria viene valutata; essa è superata se il voto conseguito in ogni prova è almeno pari a 6 e la somma dei voti conseguiti in quella parte è almeno pari a 18. Se entrambe le parti sono superate, è possibile verbalizzare il voto conseguito, media dei voti conseguiti nelle due prove. Se la parte di esercizi è superata, ma non la parte di teoria, il voto conseguito nella parte di esercizi consente l'accesso a una prova orale in appello d'esame. La validità di qualunque esito è pari a un anno solare, a partire dalla data della prova finale.
È consentito svolgere l'esame in lingua inglese; qualora si desideri sostenere una prova scritta, intermedia o finale in lingua inglese, è necessario inoltrarne richiesta al/i docente/i via e-mail almeno 21 giorni prima della prova stessa; non è necessario anticipare la richiesta per prove orali.
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 giungerà a 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 arriverà a sviluppare 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 giungerà a sviluppare la capacità di implementare una logica di apprendimento e aggiornamento continuo su temi di termofluidodinamica