FISICA TECNICA AMBIENTALE

Il corso fornisce le basi ingegneristiche per affrontare i diversi ambiti della gestione dell'energia, sia su larga scala (impianti infrastrutturali di conversione dell'energia) sia su piccola scala (fabbisogno energetico delle strutture abitative).

Il corso introduce le principali applicazioni ingegneristiche dei concetti fondamentali affrontati nei corsi di Fisica (temperatura, calore, lavoro, ecc.) e dei Principi della Termodinamica. In particolare, verranno analizzati i cicli termodinamici reali (derivati dal ciclo di Carnot), con un focus specifico sulla produzione di energia elettrica e sulla refrigerazione.

Sarà inoltre introdotta la teoria dello scambio termico, con particolare attenzione alle applicazioni nelle strutture edilizie e negli scambiatori di calore impiegati negli impianti di conversione.

Infine, lo studio dello scambio termico sarà esteso anche alla comprensione dell’interazione del corpo umano con l’ambiente confinato, con riferimento ai sistemi di condizionamento.

1) Applicare i principi fondamentali della termodinamica

Comprendere e descrivere il Principio Zero della termodinamica e il concetto di temperatura.
Applicare il Primo Principio della termodinamica per l'analisi energetica di sistemi chiusi e aperti.
Applicare il Secondo Principio della termodinamica, interpretando gli enunciati di Kelvin-Planck e Clausius e valutando il rendimento di cicli termodinamici.
Comprendere il concetto di entropia e la sua applicazione nei sistemi termodinamici.

2)Analizzare i cicli termodinamici reali e le loro applicazioni

Studiare e interpretare i principali cicli termodinamici diretti (Rankine, Brayton-Joule) e inversi (ciclo frigorifero e pompa di calore).
Valutare le prestazioni di impianti di produzione di energia e di refrigerazione attraverso i concetti di rendimento e coefficiente di prestazione (COP).

3)Descrivere il comportamento delle sostanze pure e dei gas ideali

Conoscere e applicare l’equazione di stato dei gas ideali.
Analizzare diagrammi termodinamici (p-v, T-s, Mollier, ecc.) per lo studio delle trasformazioni di sostanze pure.

4)Comprendere e applicare i principi della trasmissione del calore

Analizzare la conduzione termica in regime stazionario utilizzando la legge di Fourier e i concetti di resistenza e conduttanza termica.
Interpretare i fenomeni di convezione forzata e naturale e il loro impatto sulle applicazioni ingegneristiche.
Applicare il concetto di scambio termico globale e calcolare il coefficiente di scambio termico globale in diverse configurazioni.

5)Progettare e analizzare sistemi di scambio termico

Valutare le prestazioni di scambiatori di calore, definendo il profilo delle temperature e la differenza di temperatura media efficace (LMTD).
Dimensionare scambiatori di calore a tubi concentrici e valutare la loro efficienza termica.

6)Applicare i concetti della termodinamica e dello scambio termico all’ambiente costruito

Comprendere il comportamento termico delle strutture edilizie e applicare i principi della trasmissione del calore per il dimensionamento dei sistemi di isolamento termico.
Analizzare il bilancio termico negli ambienti confinati e comprendere il ruolo della termodinamica nel comfort termoigrometrico e nei sistemi di climatizzazione.

I prerequisiti per il corso includono i concetti di base del calcolo differenziale e della termodinamica, acquisiti dallo studente nei corsi del primo anno, come Analisi Matematica e Fisica.

In particolare, si considerano già acquisiti i seguenti concetti: energia, potenza, calore, lavoro, temperatura, ciclo di Carnot, primo principio della termodinamica e gas ideali.

TERMODINAMICA APPLICATA
- Principio Zero della termodinamica: temperatura.
- Primo principio della termodinamica: calore, lavoro, temperatura. Sistemi chiusi e aperti. Esempi di lavoro per trasformazioni reversibili. Energia interna, entalpia.
- Secondo principio della termodinamica: enunciati di Kelvin-Planck e Clausius. Macchina termica. Rendimento termico. Ciclo di Carnot, teorema di Carnot. Uguaglianza e disuguaglianza di Clausius. Entropia.
- Gas ideali: equazione di stato. Calore specifico del gas ideale. Funzioni di stato. Trasformazioni dei gas ideali: processi isobari, isocori, isoterme, adiabatici reversibili.
- Sostanze pure: diagrammi di stato. Equazione della Varianza (Gibbs). Superfici p-v-T per sostanze pure. Diagrammi T-v, p-v, p-T. Vapori saturi, titolo del vapore. Vapore surriscaldato e liquido sottoraffreddato. Diagrammi di Mollier h-s, T-s, p-h. Tabelle.
- Cicli diretti a vapore: ciclo di Rankine a vapore saturo. Ciclo di Rankine con surriscaldamento del vapore. Ciclo di Hirn.
- Cicli diretti a gas: ciclo Brayton-Joule.
- Cicli inversi a vapore: ciclo frigorifero e pompa di calore. Coefficiente di prestazione. Ciclo frigorifero a doppia compressione.

TRASMISSIONE DEL CALORE
- Conduzione in regime stazionario: postulato di Fourier, conduttività termica delle sostanze. Resistenza e conduttanza termica.
- Convezione forzata e naturale: definizioni e uso pratico dei parametri.
- Trasmissione globale del calore: coefficiente di scambio termico globale. Applicazioni a strutture edilizie.
- Scambiatori di calore: tipologie, profilo delle temperature, dimensionamento di uno scambiatore di calore a tubi concentrici. Efficienza termica. Differenza di temperatura media efficace.

Verranno messi a disposizione dello studente e della studentessa, attraverso la piattaforma Moodle, i materiali per seguire le lezioni e gli esercizi svolti .

L'esame consiste in due prove scritte che si svolgono nella stessa giornata una in seguito all'altra: una prova numerica e una prova teorica con sole domande aperte. Il voto finale, espresso in trentesimi, è dato dalla media dei punteggi ottenuti nelle due prove, ciascuna valutata in trentesimi.

La durata di ciascuna prova è di 1 ora. Per superare l'esame è necessario ottenere almeno la sufficienza in entrambe le prove.

Durante la prova numerica, lo studente e la studentessa potrà utilizzare un formulario da lui/lei stesso redatto.

scritto

28-30L: padronanza degli argomenti trattati a lezione e nei materiali forniti; capacità di gerarchizzare le informazioni; uso della terminologia tecnica appropriata. Parte di esercezio e unità di misura corretta;
26-27: buona conoscenza degli argomenti trattati a lezione; discreta abilità nell'ordinare le informazioni e presentarle; familiarità con la terminologia tecnica. Parte di esercezio e unità di misura quasi tutta corretta;;
22-25: conoscenza non sempre approfondita degli argomenti trattati a lezione; uso non sempre corretto della terminologia tecnica e risposte alle domande che presentano inesattezze;
18-21: conoscenza a tratti lacunosa degli argomenti trattati a lezione; risposte alle domande a volte confuse con scarso ricorso alla terminologia tecnica. Esercizio corretto solo in parte.

Lezioni frontali teoriche e esercitazioni numeriche propedeutiche alla prova d'esame.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Cambiamento climatico e energia" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile