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Marco CAVAZZUTI

Professore Associato
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria

Insegnamento: Fisica tecnica industriale

Ingegneria meccatronica (Offerta formativa 2024)

Obiettivi formativi

Il corso intende fornire 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. Intende inoltre fornire la capacità di analizzare i processi e i sistemi sopra menzionati, al fine di determinarne l'efficienza e di effettuarne un dimensionamento di massima.

Prerequisiti

Analisi Matematica I; Analisi Matematica II; Fisica I; Fisica II

Programma del corso

Termodinamica generale
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
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
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
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

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni teoriche ed esercitazioni dedicate alla soluzione di esercizi con metodi analitici.

Testi di riferimento

Dispense ed esercizi curati dal docente
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:
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
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
E. Fermi, Termodinamica, Bollati Boringhieri, 1958
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:

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 dura 2 ore e viene erogata in modalità telematica, preferibilmente attraverso la piattaforma Dolly UNIMORE. Il punteggio minimo per il superamento dell'esame scritto e per l'accesso al successivo esame orale è fissato a 18.
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 la preparazione 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 modalità telematica, secondo istruzioni che verranno fornite dal docente prima della stessa.

La valutazione finale è determinata a partire dal voto conseguito nella prova scritta, con un’incidenza significativa della preparazione dimostrata nella prova orale.

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 svilupperà 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.