Obiettivi formativi
Il corso mira a fornire le conoscenze di base necessarie per l'analisi energetica dei sistemi. Questo obiettivo viene raggiunto attraverso lo studio dei processi di conversione tra diverse forme di energia, come quella termica e quella meccanica, e tramite l'insegnamento dei principi fondamentali dello scambio termico e della meccanica dei fluidi.
Conoscenze e capacità di comprendere: Durante le lezioni frontali del corso, lo studente apprenderà i metodi e le conoscenze essenziali per comprendere e descrivere i principi fondamentali della termodinamica, del flusso dei fluidi e della trasmissione del calore. Inoltre, per quanto riguarda la termodinamica e la trasmissione del calore, lo studente sarà capace di schematizzare e risolvere semplici problemi pratici, mettendo in evidenza i fenomeni fisici rilevanti.
Competenze: Attraverso esercitazioni pratiche, lo studente acquisirà competenze applicative approfondite sui fenomeni di trasporto di energia e massa che si manifestano nei processi ingegneristici. Queste esercitazioni permetteranno allo studente di padroneggiare l'analisi energetica e termica di problemi semplici, fornendo la capacità di schematizzare accuratamente il sistema e di comprendere le sue interazioni con l'ambiente circostante. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di applicare queste competenze per risolvere problemi pratici, evidenziando i principali fenomeni fisici coinvolti.
Autonomia di giudizio: Al termine del percorso di apprendimento, lo studente avrà acquisito un insieme di strumenti e competenze che gli permetteranno di interpretare in modo critico e approfondito i fenomeni legati alla conversione dell'energia e alla trasmissione del calore. Questo comprenderà la capacità di analizzare e comprendere i meccanismi sottostanti a questi processi, valutandone l'efficienza e identificando le possibili aree di miglioramento. Inoltre, lo studente sarà in grado di applicare tali conoscenze in contesti pratici, sviluppando soluzioni innovative e ottimizzate per affrontare le sfide ingegneristiche.
Capacità comunicative: Lo studente dovrà possedere la capacità di strutturare il problema, esponendo in modo chiaro e con linguaggio preciso i dettagli del fenomeno fisico e i risultati dell'analisi effettuata. Attraverso le lezioni teoriche e pratiche, lo studente acquisirà il vocabolario appropriato e dovrà essere in grado di presentare in modo chiaro, sia a livello orale che scritto, non solo gli argomenti teorici trattati durante il corso, ma anche i risultati derivanti dall'applicazione pratica dei concetti studiati.
Capacità di apprendimento: Gli studenti che completeranno il corso avranno le fondamenta necessarie per approfondire le loro competenze, mirando a sviluppare una figura professionale con solide basi teoriche e applicative. Questo preparerà gli studenti ad affrontare sfide lavorative complesse che possono includere contesti multidisciplinari. In particolare, saranno in grado di comprendere e analizzare articoli scientifici e testi specialistici per ampliare le loro conoscenze, esplorando anche argomenti non affrontati direttamente durante il corso.
Prerequisiti
Per trarre il massimo vantaggio dal corso di insegnamento, è essenziale avere una solida padronanza delle nozioni basilari di analisi matematica. Inoltre, per una comprensione più completa e approfondita del contenuto, è molto utile possedere le competenze sviluppate nei corsi introduttivi di fisica.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso di insegnamento copre un'ampia gamma di argomenti fondamentali, concentrandosi su tre temi principali: termodinamica, dinamica dei fluidi e trasmissione del calore. Ogni tema viene esplorato in profondità per garantire una comprensione completa e dettagliata. Per ciascun argomento, il corso inizia con la presentazione delle definizioni fondamentali, assicurando che gli studenti abbiano una solida base terminologica e concettuale. Successivamente, vengono esaminate le leggi fisiche che governano i fenomeni trattati, fornendo una comprensione approfondita delle dinamiche alla base di questi processi. Per quanto riguarda la termodinamica, il corso dedica un'attenzione particolare ai principi fondamentali, discutendoli e analizzandoli in dettaglio. Lo studio della termodinamica non si limita ai sistemi isolati; viene infatti esteso alla descrizione dei sistemi fluidi, inclusi gas e liquidi, così come le miscele di gas. Un esempio importante trattato nel corso è la miscela di aria e vapore d'acqua, che ha implicazioni significative in vari contesti ingegneristici. Questo approccio bilanciato assicura che gli studenti acquisiscano una comprensione sia pratica che teorica della materia, preparandoli a risolvere problemi reali. Nel terzo argomento, quello della trasmissione del calore, il corso esplora in dettaglio le diverse modalità con cui il calore viene trasferito: conduzione, convezione e irraggiamento. Ogni modalità viene analizzata attraverso esempi concreti e dettagliati, permettendo agli studenti di vedere come i concetti teorici si applicano nel mondo reale. Alla fine di questo modulo, le conoscenze acquisite vengono applicate alla risoluzione di problemi specifici di scambio termico, particolarmente significativi per l'ingegneria. Questo approccio applicativo è fondamentale per consolidare la comprensione teorica attraverso l'applicazione pratica. Durante il corso, vengono presentati e discussi numerosi problemi pratici di termodinamica e trasmissione del calore. Questi esempi sono progettati per facilitare l'assimilazione dei concetti teorici, permettendo agli studenti di mettere in pratica ciò che hanno imparato. La discussione di questi problemi in aula offre un'opportunità preziosa per chiarire eventuali dubbi e approfondire la comprensione. In conclusione, il corso non solo fornisce una solida base teorica nei campi della termodinamica, della dinamica dei fluidi e della trasmissione del calore, ma prepara anche gli studenti a risolvere problemi pratici e complessi che possono incontrare nella loro carriera ingegneristica. Questo approccio integrato assicura che gli studenti siano ben equipaggiati per affrontare le sfide professionali future.
Programma esteso
Termodinamica: richiami sui sistemi di unità di misura. Generalità e definizioni. Sistemi chiusi. Primo principio della termodinamica e proprietà dell'energia interna. Secondo principio della termodinamica e proprietà dell'entropia. Irreversibilità. Superficie (p, v, T) e diagrammi termodinamici (p, v) e (p, T). Proprietà dei liquidi. Proprietà e trasformazioni dei vapori saturi e surriscaldati. Gas ideali. Proprietà e trasformazioni dei gas ideali. Diagrammi termodinamici (T, s) e (h, s). Proprietà delle miscele di gas ideali. Proprietà termodinamiche delle miscele di aria e vapore acqueo: titolo, grado igrometrico, entalpia specifica. Diagramma psicrometrico. Temperatura di rugiada e di saturazione adiabatica. Lo psicrometro. Termodinamica dei sistemi aperti. Definizioni. Equazioni di bilancio di massa ed energia. Cicli termodinamici: ciclo Rankine e ciclo frigorifero.
Moto dei fluidi: aspetti fisici del moto di un fluido. Viscosità. Moto laminare e turbolento. Strato limite fluidodinamico. Equazione di continuità. Equazione vettoriale di Navier. Adimensionalizzazione delle equazioni del moto isotermo. Numero di Reynolds. Equazione di Bernoulli. Misure di velocità e portata. Fluidi comprimibili. Numero di Mach.
Trasmissione del calore: conduzione. Legge di Fourier. Conduttività termica. Conduzione stazionaria. Analogia elettrica. Trasmissione del calore per convezione. Convezione forzata, naturale e mista. Equazione di bilancio dell’energia. Adimensionalizzazione delle equazioni del moto non isotermo. Numeri di Prandtl, Grashof, Nusselt. Irraggiamento termico. Generalità e definizioni. Leggi dell'irraggiamento per il corpo nero: legge di Stefan-Boltzmann, legge di Planck, legge di Wien, legge di Lambert. Fattore di forma e sue proprietà. Applicazioni relative al mutuo scambio radiativo tra superfici nere e grigie. Presenza simultanea di diverse modalità di scambio termico: coefficiente globale di scambio termico. Scambiatore di calore tubo in tubo.
Bibliografia
Testo consigliato:
M.J. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, “Elementi di Fisica tecnica per l’ingegneria”, McGraw-Hill
Ulteriore materiale bibliografico:
Y. A. Çengel, “Termodinamica e trasmissione del calore”, McGraw-Hill.
Metodi didattici
Sia l'inquadramento teorico degli argomenti che lo sviluppo di esempi applicativi saranno trattati in aula. Durante le lezioni, il docente illustrerà i concetti teorici fondamentali alla lavagna, fornendo una solida base di comprensione. Successivamente, seguirà l'elaborazione di esempi pratici e applicativi, anch'essa condotta alla lavagna, per dimostrare come i principi teorici possono essere applicati a situazioni reali. Questo approccio combinato assicura che gli studenti possano acquisire una comprensione completa e integrata sia della teoria che della pratica.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione dell'apprendimento avviene attraverso una prova scritta che comprende quesiti suddivisi tra esercizi pratici e domande teoriche. L'esito della prova scritta viene comunicato entro pochi giorni successivi tramite pubblicazione su Esse3; il voto finale è calcolato sommando i punteggi ottenuti in ciascuna domanda. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio a cui si aggiunga la padronanza del lessico disciplinare. Si ricorda che l'iscrizione online all'appello è OBBLIGATORIA.
Altre informazioni
Ulteriori informazioni sono disponibili su http://elly.dia.unipr.it
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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