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    Oronzio MANCA

    Insegnamento di FISICA TECNICA E MISURE

    Corso di laurea in INGEGNERIA AEROSPAZIALE, MECCANICA, ENERGETICA

    SSD: ING-IND/10

    CFU: 15,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 120,00

    Periodo di Erogazione: Annualità Singola

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    FISICA TECNICA
    Termodinamica applicata: concetti e definizioni di base; termodinamica degli stati; equazioni di bilancio e di conservazione per lo studio dei sistemi termodinamici; conseguenze della prima e della seconda legge della termodinamica; componenti di impianti termici; aria umida: proprietà e trasformazioni elementari; principi di trasmissione del calore: conduzione, irraggiamento e convezione.

    MISURE
    1. Concetti generali di metrologia.
    2. Sensori di misura della temperatura
    3. Sensori di misura della pressione e della velocità
    4. Sensori di misura della portata

    Testi di riferimento

    FISICA TECNICA:
    Y. A. Cengel, Termodinamica e trasmissione del calore, 4a edizione, McGraw-Hill, 2016

    MISURE:
    F. CASCETTA, G. ROTONDO, M. MUSTO, Fondamenti di termometria, ADiSU, Caserta, 2010.
    F. CASCETTA, P. VIGO, Introduzione alla metrologia, Liguri Editore, Napoli 1988. F. CASCETTA, P. VIGO, Misure di pressione e velocità nei fluidi, CUEN Ed., Napoli 1985.
    F. CASCETTA, Strumentazione di misura per sistemi di telecontrollo di reti idriche di pubblica utilità – Linee Guida, Franco Angeli Editore, Milano, 1999. Appunti delle lezioni.

    Obiettivi formativi

    FISICA TECNICA:
    L'insegnamento si propone di fornire agli studenti dei corsi di laurea in Ingegneria Aerospaziale e Meccanica le nozioni di base relative ai concetti fondamentali dalla termodinamica applicata per i sistemi e della trasmissione del calore.

    MISURE:
    L'insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni di base relative ai concetti di metrologia generale, sistemi e metodi di misura delle principali grandezze meccaniche e termo-fluidodinamiche.
    Al termine del corso, lo studente deve:
    1) conoscere, saper descrivere e selezionare gli idonei strumenti di misura nelle principali applicazioni dell'ingegneria industriale;
    2) possedere capacità di comprensione nella lettura e studio di libri di testo specialistici e riviste nel settore della strumentazione di misura;
    deve essere capace di applicare le conoscenze acquisite e le capacità di comprensione in maniera tale da dimostrare un approccio professionale; possedere le competenze adeguate per individuare e risolvere problematiche di misura in campo industriale;

    Prerequisiti

    FISICA TECNICA
    Lo studente deve conoscere gli elementi fondamentali di Analisi matematica e di Fisica:
    Deve essere in possesso di principi di base di analisi matematica quali derivate, equazioni differenziali ordinarie lineari
    Deve conoscere i principi elementari della meccanica.

    MISURE:
    Lo studente deve essere in possesso degli strumenti basilari della fisica e della matematica; deve inoltre conoscere i principi di termodinamica applicata e di trasmissione del calore

    Metodologie didattiche

    FISICA TECNICA
    Le lezioni frontali e le esercitazioni sono tenute dal docente ufficiale, hanno una durata di 120 minuti.
    Le esercitazioni numeriche sono previste su tutti gli argomenti trattati e sono parte integrante dell'insegnamento e sono svolte nell'orario assegnato ad esso.

    MISURE:
    Le lezioni frontali e le esercitazioni sono articolate tipicamente in moduli da 2 ore (120 minuti) e sono tenute dal docente ufficiale. Le lezione frontali sono suddivise tra lezioni teoriche e lezioni applicative (esercitazioni numeriche). Le esercitazioni numeriche sono parte integrante dell'insegnamento.

    Metodi di valutazione

    FISICA TECNICA:
    Al termine dell'insegnamento è obbligatoria una prova scritta selettiva, superato lo scritto è previsto un colloquio orale per la valutazione finale.
    Le prove scritte sono fissate con cadenza almeno mensile (ad esclusione della pausa estiva) con almeno 3 prove in ciascuna delle due finestre di esame.

    MISURE:
    l'esame consta in una sola prova finale orale. Al termine del colloquio orale avverrà la valutazione finale sui seguenti criteri:
    - verifica dell'apprendimento di un argomento nell'ambito della parte 'Fondamenti di Metrologia' (vedi programma)
    - verifica dell'apprendimento di un argomento nell'ambito della parte 'Misure di portata' (vedi programma)
    - verifica dell'apprendimento di un argomento nell'ambito della parte 'Misure di temperatura' (vedi programma)
    - verifica dell'apprendimento di un argomento nell'ambito della parte 'Misure di pressione' o 'Misure di velocità'(vedi programma)
    Gli appelli degli esami orali sono programmati con cadenza pressocché mensile (ad esclusione del mese di agosto)

    Altre informazioni

    FISICA TECNICA:
    Sono disponibili sul sito appunti delle lezioni e le applicazioni.

    MISURE:
    Il docente è disponibile, nell'orario di ricevimento o via email (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.), a fornire materiale didattico di supporto ai testi ufficiali per eventuali approfondimenti.

    Programma del corso

    FISICA TECNICA:
    Termodinamica applicata
    Concetti e definizioni di base: sistema e ambiente, proprietà, stato, equazione di stato, sostanza pura, fase, sistema semplice comprimibile, equilibrio termodinamico, processo e trasformazione quasi statica, energia, lavoro, calore, temperatura; prima legge per sistema isolato e sistema chiuso.
    Termodinamica degli stati
    Nozioni introduttive termodinamica degli stati: superficie caratteristica, diagrammi pressione-temperatura, pressione-volume, temperatura-entropia, entalpia-entropia e pressione-entalpia.
    Gas: gas ideale, criteri di scelta del modello, proprietà dei gas a bassa pressione e loro valutazione; trasformazione adiabatica internamente reversibile, trasformazione politropica.
    Liquidi, vapori e solidi: vapore surriscaldato e diagramma di Mollier per l’acqua, fase liquida, miscela bifasica liquido-aeriforme, fase solida.
    Formulazione delle equazioni di bilancio per lo studio dei sistemi termodinamici
    Equazioni di bilancio per lo studio dei sistemi termodinamici: equazioni di bilancio di una proprietà estensiva, conservazione dell’energia per sistemi chiusi e per sistemi aperti, regime stazionario, flusso monodimensionale, portata massica e volumetrica, bilancio di energia generalità, bilancio di energia per un sistema chiuso e per un sistema aperto, bilancio di entropia generalità, bilancio di entropia per un sistema chiuso e per un sistema aperto, equazione dell'energia meccanica.
    Alcune conseguenze della prima e della seconda legge della termodinamica: I e II equazione di Gibbs, sistemi chiusi: lavoro di variazione di volume, sistemi aperti: equazione dell’energia meccanica, piani termodinamici (p,v) e (T,s), irreversibilità termica e generazione di entropia, macchina termica, macchina frigorifera e pompa di calore.
    Componenti di impianti termici: condotti, generalità sulle macchine a fluido, turbina idraulica e impianto idroelettrico, turbine a vapore e a gas, pompe, compressori, scambiatori di calore, valvole.
    Aria umida
    Proprietà termodinamiche dell'aria umida: legge di Dalton, entalpia specifica dell'aria secca e del vapore acqueo, umidità specifica e relativa, temperatura di rugiada, entalpia, volume specifico, temperatura di saturazione adiabatica, temperature di bulbo asciutto e di bulbo bagnato, diagramma psicrometrico.
    Processi elementari: riscaldamento e raffreddamento semplici, mescolamento adiabatico, raffreddamento e deumidificazione, riscaldamento e umidificazione, umidificazione adiabatica.
    Trasmissione del calore
    Cenni introduttivi: generalità, enunciati delle leggi particolari.
    Conduzione: relazione costitutiva fondamentale per la conduzione, equazione differenziale della trasmissione del calore per conduzione, condizioni ai limiti, cenni adimensionalizzazione, parametri adimensionali, regime stazionario monodimensionale, regime non stazionario monodimensionale.
    Irraggiamento: generalità e definizioni di base, corpo nero, caratteristiche radiative delle superfici, scambio termico radiativo, fattore di vista o di configurazione, scambio termico radiativo in cavità, tra superfici piane parallele ed indefinite, superfici nere e grigie, schermi radiativi, superficie riirraggiante.
    Convezione: generalità, flusso laminare e turbolento, viscosità (dinamica, cinematica), gruppi adimensionali per la convezione forzata (definizione, significato fisico), strato limite, strato limite per flusso esterno ed interno, gruppi adimensionali per la convezione naturale (definizione, significato fisico), uso delle relazioni per la valutazione della conduttanza convettiva unitaria media.
    Meccanismi combinati di trasmissione del calore

    MISURE:
    1. Concetti generali di metrologia Definizione del concetto di misura, misure dirette ed indirette. Configurazione generalizzata degli strumenti di misura. Incertezze di misura e loro classificazione. Curva caratteristica di un generico sensore di misura. Distribuzioni dei risultati di misura (modello gaussiano e modello t di Student). Test statistici (test del “chi quadro” e carte di probabilità). Analisi delle incertezze. Legge di propagazione degli scarti quadratici medi. Caratteristiche metrologiche degli strumenti di misura. Taratura e riferibilità metrologica (Sistema Nazionale di Taratura). Prestazioni statiche e dinamiche degli strumenti di misura: strumenti del primo e del secondo ordine. Prontezza di uno strumento di misura: costante di tempo e tempo di risposta.
    2. Sensori di misura della temperatura (Misure di temperatura): generalità e scala di temperatura internazionale (STI-90). Sensori per misure a contatto e a distanza. Termometria termoelettrica (leggi dei circuiti termoelettrici, tipo di termocoppie). Termometria a resistenza (termometri ad elemento metallico e a semiconduttore, schemi di misura). Termometria a radiazione (pirometro monocromatico, bicolore, ad irraggiamento totale, sensori di energia termica). Effetti di installazione delle termosonde.
    3. Sensori di misura della pressione e della velocità.
    Misure di pressione: sensori di pressione meccanici ed elettrici (piezoresistivi, piezoelettrici, a capacità variabile, a riluttanza variabile). Misure di pressione in fluidi in quiete ed in movimento. Prese di pressione statica. Effetti di installazione. Sonda aerodinamica.
    Misure di velocità: sensori di velocità locale, tubi di Pitot, anemometria a filo/film caldo (CCA e CTA). Sensori di velocità media (tubi di Pitot multipli). 4. Sensori di misura della portata (Misure di portata): generalità, cenni storici e classificazione. Definizione di portata volumetrica e di portata massica (metodo diretto ed indiretto). Misuratori a pressione differenziale, ad area variabile, volumetrici, a turbina, fluidodinamici (a generazione ed a precessione di vortici, ad effetto Coanda), magnetici, ad ultrasuoni, termici, ad effetto Coriolis. Impianti di taratura.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    THERMAL ENGINEERING
    Applied thermodynamics: basic concepts and definitions; evaluating properties; balance and conservation equations for thermodynamic systems; consequences of the first and second law of thermodynamics; components of thermal plants; psychrometric principle and elementary transformation; principle of heat transfer: conduction, radiation and convection.
    INTRODUCTION TO METROLOGY.
    THERMOTHERIC GRINDING SENSORS.
    Pressure and velocity measurement sensors
    FLOW RATES SENSOR CLASSIFICATION.

    Textbook and course materials

    References:
    1. Y. A. Cengel, Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, 2/e, McGraw-Hill, 2008.
    2. Y. A. Cengel, R. H. Turner, J. M. Cimbala, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences 5th Edition, McGraw-Hill Education; 5th edition, 2016
    2. R. Carotenuto, A. Cesarano, F. Cascetta, O. Manca, Esercitazioni di termodinamica, CUEN, Napoli, 1992.
    Other recommended textbooks:
    Y. A. Cengel, M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach 8th Edition, McGraw-Hill, 2015.
    J. Kestin, A Course in Thermodynamics, voll. I e II, 2nd edition, Hemisphere Publ. Corp., New York, 1978.
    M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, M. B. Bailey Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 9th edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2018.
    A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2011.
    Y. A. Cengel, A. J. Ghajar, Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 5th Edition, McGraw-Hill, 2014.
    T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, D. P. De Witt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 8th edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2017.

    CASCETTA, VIGO, Flowmeters, a comprensive survey and a guide to the choice, Instrument Society of America Pub., U.S.A., 1988. · F. CASCETTA, P.VIGO, Sensors for measuring flow, Chapter n.11 in Sensors-A Comprehensive Book Series in Eight Volumes- Vol.7: Mechanical Sensors, VCH Publisher, Weinheim, Germany, 1993. ·

    Course objectives

    The course aims to provide students of the degree courses in Mechanical Engineering with the basic concepts related to the fundamental concepts of applied thermodynamics for systems and heat transfer.

    Prerequisites

    The student must know the basic elements of Mathematical Analysis and Physics:
    It must be in possession of basic principles of mathematical analysis such as derivatives, linear ordinary differential equations.
    He must know the basic principles of mechanics.

    Teaching methods

    Lectures and exercises are held by the teacher of the course, have a duration of 120 minutes.
    The numerical exercises are foreseen on all the topics covered and are an integral part of the course and are carried out in the timetable assigned to the course.

    Evaluation methods

    At the end of the course a selective written test is compulsory, after the written exam an oral interview is scheduled for the final evaluation.
    The written tests are scheduled at least once a month (excluding the summer break) with at least 3 tests in each of the two examination windows.

    Other information

    Lecture notes and applications are available on the site.

    Course Syllabus

    Applied Thermodynamics
    Concepts and basic definitions: system and environment, property, state, equation of state, pure substance, phase, simple compressible system, thermodynamic equilibrium, quasi-static process and transformation, energy, labor, heat, temperature; first law for an isolated system and a closed system.
    Thermodynamic properties
    Thermodynamic properties of a pure substance: characteristic surface, pressure-temperature, pressure-volume, temperature-entropy, enthalpy-entropy and pressure-enthalpy diagrams.
    Gas: ideal gas, model selection criteria, low pressure gas properties and their evaluation; internally reversible adiabatic transformation, polytropic transformation.
    Liquids, vapors and solids: superheated vapor and Mollier diagram for water, liquid phase, liquid-vapor mixture, solid phase.
    Governing equations for the study of thermodynamic systems
    Governing equations: balance equation of extensive quantity, energy conservation for closed systems and open systems, steady state, one-dimensional flow, mass and volumetric flow rates, general energy conservation equation, energy conservation equation for a closed system and an open system, introduction on entropy balance, entropy balance for a closed system and for an open system, mechanical energy equation.
    Some consequences of the first and second law of thermodynamics: I and II Gibbs equation, closed systems: volume variation work, open systems: mechanical energy equation, thermodynamic diagrams (p, v) and (T, s), thermal irreversibility and entropy generation, direct and inverse cycles, refrigeration and heat pump cycles.
    Components of power plants: ducts, general information on fluid machines, hydraulic turbine and hydroelectric plant, steam and gas turbines, pumps, compressors, heat exchangers, valves.
    Psychrometrics
    Thermodynamic properties of moist air: Dalton's law, specific enthalpy of dry air and water vapor, specific and relative humidity, dew temperature, enthalpy, specific volume, adiabatic saturation temperature, dry bulb and wet bulb temperatures, psychrometric diagram.
    Elementary transformation: simple heating and cooling, adiabatic mixing, cooling and dehumidification, heating and humidification, adiabatic humidification.
    Heat Transfer
    Introduction: generality, statements of heat transfer laws.
    Conduction: fundamental constitutive relation for conduction, differential equation of heat transmission by conduction, boundary conditions, dimensionless parameters, one-dimensional stationary regime, non-stationary one-dimensional regime.
    Radiation: introduction and basic definitions, black body, radiative characteristics of surfaces, radiative heat exchange, view factor, radiative heat exchange in cavities, between parallel and undefined flat surfaces, black and gray surfaces, radiative screens, reradiating surface.
    Convection: introduction, laminar and turbulent flow, viscosity, dimensionless groups for forced convection (definition, physical meaning), boundary layer, boundary layer for external and internal flow, dimensionless groups for natural convection (definition, physical meaning), use of correlations for the evaluation of average convective heat transfer coefficient.


    General: INTRODUCTION TO METROLOGY Fundamentals and General Principles of Metrology. Glossary: terms and definitions. The International Vocabulary of Metrology (VIM). The International Unit of Measurement Unit. Error classification. Definition of uncertainty. Generalized configuration of a measuring instrument: first, second and third stage. Analog signals and digital signals. Distribution of measurement results: normal or gaussian distribution (standardized); Student's distribution. Statistical tests: "chi framework" and "probability cards" tests. Analysis of uncertainties: a priori and a posteriori analysis. Propagation laws of uncertainties. Statistical composition of contributions. Calibration of a measuring sensor. Dynamic behavior of a measuring instrument: 1st and 2nd order instruments. Application part: THERMOTHERIC GRINDING SENSORS Temperature measurements Classification of measuring sensors. Temperature Scales. Empirical temperature and thermodynamic temperature. Thermoelectric Thermometry: Fundamental References, Seebeck's Law, Peltier, Thomson. Readings of thermometric circuits. Measurement schemes. Reference joint and measuring joint. Standard thermocouples. Compatibility and measurement environments for thermocouples. Stability and aging of thermocouples. Calibration of thermocouples. Examples and applications. Resistance thermometer: theoretical references, Ohm's law, Callendar's law. Constructive criteria of a thermal resistance. Reference Resistance. Platinum thermometers (sample and industrial use). Stability. Resistance of zero. Measurement methods of electrical resistance (direct and indirect). 2, 3 and 4 wire connection (Wheatstone bridge). Examples and applications. Radiation thermometry: theoretical references; Thermal radiation laws. Monochromatic (optical and photoelectric) thermometers (pyrometers), two-color and wide band. Thermal flow sensors: thermal and photoconductive. Infrared thermography. Examples and practical cases. Pressure measures Classification: mechanical and electrical sensors. Variable variable pressure transducers, variable capacitance, variable inductance,
    piezoelectric. Static and dynamic pressure outlets. Aerodynamic probe. Effects of installation. Speed measurements Pitot tube probes (single and multiple). Hot wire anemometry: theoretical references, King's law, characteristic curve of an HWA, measuring range, calibration of an anemometric probe. Flow rates Sensor classification: volumetric flow rate and mass flow rate. Venturiometers (diaphragm, mouthpiece and venturi tube), target gauges, elbow gauges, laminar gauges, variable area gauges, volumetric gauges, turbine gauges, magnetic gauges, ultrasonic gauges, fluid dynamometers, mass gauge gauges, gauges Massive with Coriolis effect. Examples of practical cases and calibration systems.

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