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Fisica Tecnica



Capitolo 1 - La termodinamica

Generalità e definizioni. Sistemi termodinamici. Equilibrio termodinamico. Proprietà e stato di un sistema
Sistemi semplici: diagrammi di stato e superfici di stato. Trasformazioni termodinamiche.
Trasferimenti di energia: calore e lavoro
Simbologia e convezioni di segno per lavoro e calore. Trasformazioni quasi statiche.
Lavoro di variazione di volume per trasformazioni quasi statiche. Piano di Clapeyron
Trasformazioni reversibili ed irreversibili.
1° principio della termodinamica per sistemi chiusi
    Energia interna ed enunciato del 1° principio. Esempio numerico. Significato fisico dell’energia interna.
    Entalpia. Capacità termica e calore specifico. Calore specifico a volume costante ed a pressione costante.
    Alcune particolari trasformazioni
        Trasformazione adiabatica. Trasformazione a volume costante. Trasformazione a pressione costante.
        Trasformazione a temperatura costante. Trasformazione ad energia interna costante. Trasformazione di sistema isolato
        Trasformazione politropica. Trasformazione ciclica.
        Ciclo diretto: rendimento.
        Ciclo inverso: coefficiente di effetto utile e coefficiente di prestazione
    Limiti del primo principio della termodinamica.
2° principio della termodinamica per sistemi chiusi
    Enunciati assiomatici del 1° e del 2° principio. Calcolo della variazione di entropia.
    Lavoro di elica.
    Verso delle trasformazioni - Enunciato di Clausius. Esempi numerici
    Rendimento massimo di una macchina motrice ed enunciato di Kelvin-Planck. Esempi numerici
    Piano entropico.
Relazioni termodinamiche
    Coefficienti elastici. Energia libera ed entalpia libera. Equazioni di Maxwell. Equazioni dell’entropia.
    Equazioni dell’energia. Relazioni tra calori specifici: differenza e rapporto. Coefficiente di Joule-Thomson.
Unità di misura e fattori di conversione.
 

Capitolo 2 - Sostanze pure e gas

Sostanze pure

Generalità e definizioni. Fasi di un sistema. Varianza e regola delle fasi.
Equilibrio liquido-vapore: la tensione di vapore. Richiami di Chimica: evaporazione di liquidi e solidi
Condizioni di saturazione. Diagramma temperatura - pressione di una sostanza pura. Superficie caratteristica F(p,v,T)=0
Il diagramma di Andrews (p,v). Richiami di Chimica sul diagramma di Andrews. Titolo di una miscela.
Cambiamenti di fase: equazione di Clapeyron.
L’energia libera. Transizioni di stato, entropia e forme stabili.
Equilibri di fase. Cenni di termochimica

I Gas

Introduzione ai gas. Gas perfetti. Gas a comportamento perfetto Esempi numerici
Volume molare, densità e peso specifico. Calori specifici, energia interna ed entalpia. Entropia
Trasformazioni per i gas perfetti
    Trasformazione a pressione costante. Trasformazione a volume costante. Trasformazione a temperatura costante
    Trasformazione adiabatica (internamente) reversibile. Trasformazione di sistema isolato. Trasformazione politropica
Gas a comportamento non perfetto
    Parametri ridotti e legge degli stati corrispondenti. Criteri per la valutazione del comportamento da gas perfetto.
 

Capitolo 3 - Vapori e liquidi

Introduzione ai liquidi. Costanza del calore specifico.
Vapori saturi
    Trasformazioni a titolo costante.
Entalpia. Energia interna. Entropia. Vapori surriscaldati. Diagramma entropico. Diagramma di Mollier
Solidi
Esempi numerici
 

Capitolo 4 - Sistemi aperti

Premessa: ipotesi dell’equilibrio locale
    Studio termodinamico dei sistemi aperti nell’ipotesi di moto unidimensionale
Equazione di continuità. Primo principio della termodinamica per sistemi aperti.
Secondo principio della termodinamica per sistemi aperti. Equazione dell’energia meccanica. Laminazione.
Effetto Joule-Thomson.
Regimi di moto di fluidi in condotti
    Numero di Reynolds.
Calcolo delle perdite di carico nel moto di fluidi in condotti.
    Perdite di carico distribuite.
        Determinazione del coefficiente lambda: abaco di Moody
    Perdite di carico concentrate
Esempi numerici
 

Capitolo 5 - Impianti termici motori ed operatori

Introduzione
Impianti termici motori a turbina a vapore.
    Introduzione.
    Ciclo Rankine a vapore surriscaldato
        Rendimento termodinamico. Miglioramento del rendimento. Risurriscaldamento. Rigenerazione. Esempio numerico
Impianti termici motori a turbina a gas
    Introduzione.
    Ciclo Joule o Brayton.
        Rendimento termodinamico. Impianto con rigenerazione.
Motori alternativi
    Introduzione.
    Motori alternativi a combustione interna ad accensione comandata.
        Ciclo termodinamico di riferimento: ciclo Otto. Rendimento termodinamico
    Motori alternativi a combustione interna ad accensione spontanea
        Ciclo termodinamico di riferimento: ciclo Diesel. Rendimento termodinamico.
Impianti frigoriferi e pompe di calore
    Introduzione. Schemi elementari di impianti a compressione di vapore.
    Ciclo inverso a compressione di vapore.
        Prestazioni del ciclo a compressione di vapore. Rappresentazione nel piano p,h. Differenze di temperatura.
        Sottoraffreddamento e surriscaldamento del liquido. Scelta del fluido.
 

Capitolo 6 - Aria umida

Richiami sulle miscele gassose
Proprietà termodinamiche dell’aria umida
Relazioni per il calcolo di alcune proprietà interne
    Titolo. Entalpia. Volume specifico. Temperatura di saturazione adiabatica. Temperatura di rugiada.
    Temperatura di bulbo umido. Richiami di Chimica sulla temperatura di bulbo umido
Diagrammi psicrometrici
    Diagramma di Mollier. Diagramma ASHRAE-AICARR.
Temperatura di rugiada
Trasformazioni elementari dell’aria umida
    Riscaldamento o raffreddamento a titolo costante. Esempio numerico
    Deumidificazione per raffreddamento. Esempio numerico
    Riscaldamento ed umidificazione
    Umidificazione. Esempi numerici
    Mescolamento adiabatico.
Misure di umidità dell’aria
 

Capitolo 7 - Impianti di condizionamento dell'aria

Introduzione. Generalità sulle condizioni di benessere fisiologico. Purezza dell’aria e ventilazione.
Classificazione degli impianti di trattamento aria
Impianto di condizionamento totalmente centralizzato senza ricircolazione
    Individuazione delle condizioni esterne (E) e delle condizioni interne (A). Calcolo dei carichi termoigrometrici
    Determinazione delle condizioni di trattamento e immissione dell’aria.
    Determinazione dei processi da realizzare nel gruppo condizionatore
        Condizionamento estivo. Condizionamento invernale
Impianto di condizionamento con ricircolazione d’aria
    Condizionamento estivo. Condizionamento invernale
Esempi numerici
 

Capitolo 8 - Introduzione all'acustica

Nozioni preliminari di acustica
    Introduzione al suono. Velocità (di propagazione) del suono. Propagazione nei liquidi e nei solidi (cenni).
    Frequenza del suono. Campo dell’ udibile.
    L’equazione delle onde. Le onde piane. Impedenza acustica (specifica e caratteristica)
    Intensità acustica e densità di energia acustica
    Le onde sferiche
La descrizione del suono
    Introduzione. I livelli sonori. Sovrapposizione di più suoni. Esempi numerici
    Cenni sullo spettro sonoro. Bande di frequenza. Scale di pesatura: scala A
La sorgente sonora
    Introduzione.
    La misura della potenza acustica. Misura del livello di potenza in campo riverberante
    La direttività. Indice di direttività
La voce (cenni)
 

Capitolo 9 - La propagazione del suono

La propagazione del suono all’aperto
    Introduzione.
    Il campo acustico all’esterno
        Valutazione delle attenuazioni aggiuntive. L’effetto dell’impedenza acustica dell’aria. L’effetto dell’assorbimento dell’aria
        L’effetto della presenza del suolo. L’effetto delle barriere acustiche. L’effetto del fogliame.
        L’effetto delle condizioni metereologiche
La propagazione del suono nei grandi ambienti
    Introduzione. Acustica fisica e acustica geometrica. Acustica statistica.
    L’assorbimento acustico. Il campo sonoro in condizioni stazionarie.
    Il tempo di riverberazione
        Descrizione. Misura del coefficiente di assorbimento secondo Sabine.
    Materiali fonoassorbenti.
        Materiali fonoassorbenti porosi. Pannelli vibranti. Pannelli forati risonanti assorbenti
 

Capitolo 10 - Controllo attivo e passivo del suono

L’isolamento acustico
    Introduzione. L’isolamento acustico tra due ambienti. La legge della massa. L’effetto di coincidenza
    Potere fonoisolante
        Descrizione. Valori ricavati sperimentalmente o dedotti graficamente. Il potere fonoisolante di pareti composte
        Potere fonoisolante delle pareti doppie
     Le vibrazioni e l’isolamento dalle vibrazioni
Il rumore
    Introduzione al rumore. L’apparato uditivo. Percezione del suono e dei rumori
La misurazione dei suoni e dei rumori
    Il misuratore di livello sonoro. Il microfono.
Il controllo attivo del rumore
    Introduzione. I primi sistemi di controllo attivo del rumore. Il controllo attivo del rumore nei condotti di areazione
    Applicazioni del controllo attivo del rumore
 

Capitolo 11 - Concetti generali sulla trasmissione del calore

Il “calore” e la sua trasmissione. Limiti della termodinamica classica
Modalità di trasmissione del calore
    Conduzione. Irraggiamento. Convezione.
    Regime stazionario e non stazionario
Leggi fondamentali dello scambio termico.
    Introduzione
    Conduzione: Postulato di Fourier. Esempio: flusso stazionario attraverso una parete piana
    Irraggiamento
    Convezione.
    Meccanismi combinati di scambio termico. Coefficiente globale di scambio termico.
    Analogia tra flusso termico e flusso elettrico
Esempi
 

Capitolo 12 - La conduzione

Conduzione monodimensionale in regime permanente.
    Introduzione. Pareti geometricamente semplici.
    Parete piana.
    Cilindri cavi.
        Area media logaritmica. Effetti della conducibilità termica variabile
    Strutture composte
        Pareti composte: elementi in serie ed in parallelo
        Cilindri coassiali. Spessore critico dell’isolante. Esempio numerico: cavo elettrico coibentato
    Sistemi con generazione di calore
        Piastra piana con generazione di calore uniformemente distribuita
        Cilindro solido con generazione di calore uniformemente distribuita
Conduzione bidimensionale e tridimensionale
    Metodi di analisi. Equazione generale della conduzione. Soluzione analitica
 

Capitolo 13 - L'irraggiamento

Introduzione. Irraggiamento termico
    Irraggiamento del corpo nero
        Legge di Planck. Legge di Stefan-Boltzmann. Diagrammi di utilità pratica. Esempi
        Realizzazione di un corpo nero in laboratorio
Intensità di radiazione
Caratteristiche di irraggiamento: legge di Kirchoff
    Caratteristiche di irraggiamento delle superfici reali.
        Proprietà direzionali dell’emittenza.
    Coefficiente di riflessione e coefficiente di trasmissione. Riflessione speculare e riflessione diffusa.
Fattore di vista
Irraggiamento in cavità con superfici nere. Irraggiamento in cavità con superfici grigie.
Cenni all’irraggiamento solare
 

Capitolo 14 - La convezione

Introduzione. Coefficiente di trasmissione del calore per convezione.
Meccanismo di trasporto dell’energia e fluidodinamica
    Convezione libera e convezione forzata.
Concetti fondamentali sullo “strato limite”
    Lunghezza critica e numero di Reynolds 6
Strato limite termico. Il numero di Nusselt. Determinazione del coefficiente di scambio termico convettivo.
Analisi dimensionale
    Dimensioni fondamentali e formule dimensionali. Determinazione del numero di gruppi adimensionali.
    Determinazione dei gruppi adimensionali: Numero di Prandtl. Correlazione dei dati sperimentali
Viscosità
    Strato limite laminare su una lastra piana
        Caso del moto turbolento
Convezione forzata interna
    Introduzione. Scelta della temperatura di riferimento del fluido.
    Moto laminare e moto turbolento all’interno di condotti. Influenza del numero di Prandtl. Effetti di imbocco
Convezione naturale
    Introduzione. Distribuzione di temperatura e di velocità. Equazioni principali per la convezione libera.
    Superfici alettate
    Dissipatori termici
 

Capitolo 15 - Scambiatori di calore

Introduzione. Progetto e scelta di uno scambiatore di calore. Tipi più comuni di scambiatori di calore.
Differenza media di temperatura. Media logaritmica delle differenze di temperatura
Efficienza di uno scambiatore.
Resistenza termica da incrostazioni (cenni). Coefficiente di scambio termico variabile (cenni)
 

Capitolo 16 - Impianti termici ad energia solare

Introduzione. Energia solare disponibile.
Impianti fotovoltaici
    Introduzione. Cenni sui materiali semiconduttori. L’effetto fotovoltaico.
    Circuito equivalente di una cella solare. Efficienza di conversione. Perdite di energia
    Schema generale di un pannello solare
    Cenni sulla tecnologia delle celle solari di silicio.
     Impianti fotovoltaici - Dimensionamento
        Introduzione. Rendimento istantaneo di un pannello fotovoltaico. Concetto di “utilizzabilità”.
        Parametri caratteristici dei pannelli fotovoltaici. Esempio applicativo.
        Impianti fotovoltaici autonomi
            Elaborazione statistica dei dati climatici. Modello di simulazione. Il dimensionamento degli impianti
 

Capitolo 17 - Argomenti vari

Ugelli e diffusori
Turbine
    Parti principali. Turbine idrauliche. Turbine a gas (lettura). Turbine a vapore (lettura).
Impianti di compressione.
    Compressori dinamici. Cenni ai compressori volumetrici alternativi
Valvola di laminazione
 

Capitolo 18 - Sistemi ad assorbimento

Introduzione.
Funzionamento di una macchina frigorifera ad assorbimento.
    Macchina ad acqua-bromuro di litio. Macchina ad acqua-ammoniaca. Prestazioni. Miglioramenti