Prova scritta di Fisica Tecnica, Fisica Tecnica I e Fisica Tecnica II – 26.06.2007

Fisica Tecnica VO e Fisica Tecnica II NO AA 2005-06 e seguenti – Esercizi 1 e 2

NO AA 2004-05 e precedenti: Fisica Tecnica I – solo Esercizio 1;   Fisica Tecnica II – solo Esercizio 2

 (Ing. Meccanica, Navale, Elettrica, dei Materiali)

 

………………………..                                  .………………………..                                      …………………..……

NOME e COGNOME                                   CORSO di LAUREA                                                   Voto/i

 

Esercizio 1

Appaiono periodicamente sulla stampa annunci sulla prossima commercializzazione di vetture mosse da motori ad aria compressa, assieme alla descrizione delle doti di efficienza, silenziosità ed assenza di emissioni inquinanti che le caratterizza.
Fra le numerose difficoltà che hanno sinora impedito la commercializzazione di una vettura di questo tipo, le principali riguardano la scarsa autonomia, ed il notevole raffreddamento dell’aria a seguito dell’espansione, con conseguente formazione di ghiaccio ed arresto del propulsore. Una delle soluzioni proposte per ovviare a tali difficoltà, consiste nel frazionamento dell’espansione in tre stadi, con inter-riscaldamento intermedio con l’aria ambiente, tramite scambiatori di calore, come schematizzato in figura.

Nelle ipotesi di poter considerare l’aria un gas ideale a calori specifici costanti (R = 0.287 kJ/(kg K), k = 1.4) e trascurare eventuali variazioni di energia cinetica e potenziale, determinare il lavoro specifico, espresso in kJ/kg e Wh/kg, e la temperatura minima dell’aria nei seguenti casi nei quali l’espansione avvenga dalle condizioni p1, t1= tamb, alla pressione pamb:

1.       espansione isoterma monostadio;

2.       espansione isoentropica monostadio;

3.       espansione adiabatica monostadio, caratterizzata da rendimento isoentropico di espansione = 0.7;

4.       espansione adiabatica a tre stadi, con = 0.7 per tutte le tre espansioni, e doppio inter-riscaldamento intermedio alla temperatura ambiente tamb, con rapporti delle pressioni .

Tracciare infine i quattro diversi processi sui piani T-s e p-v.

 

 

TEMA

 [MPa]

 [MPa]

 [°C]

A

30

0.1013

20

B

20

0.1013

20

 


Prova scritta di Fisica Tecnica, Fisica Tecnica I e Fisica Tecnica II – 26.06.2007

Fisica Tecnica VO e Fisica Tecnica II NO AA 2005-06 e seguenti – Esercizi 1 e 2

NO AA 2004-05 e precedenti: Fisica Tecnica I – solo Esercizio 1;   Fisica Tecnica II – solo Esercizio 2

 (Ing. Meccanica, Navale, Elettrica, dei Materiali)

 

………………………..                                  .………………………..                                      …………………..……

NOME e COGNOME                                   CORSO di LAUREA                                                   Voto/i

 

Esercizio 2

In un processo produttivo è necessario fissare un film di materiale trasparente su un substrato, come schematizzato in figura, mantenendo per un certo tempo, ad una temperatura t0, la giunzione film-substrato.

Per far ciò, si utilizza un flusso termico radiante specifico , che viene interamente assorbito sulla superficie del substrato all’interfaccia con il film. L’altra superficie del substrato è mantenuta alla temperatura t1, mentre la superficie esterna del film è lambita da aria alla temperatura  con un coefficiente convettivo h.

Nelle ipotesi di flusso monodimensionale stazionario, nell’ordine:

1.       Rappresentare il circuito termico equivalente del sistema;

2.       Calcolare il flusso termico  che è richiesto per mantenere l’interfaccia film-substrato alla temperatura t0.

 

TEMA

Lf [mm]

kf [W/(m K)]

Ls [mm]

ks [W/(m K)]

 [°C]

h [W/(m2 K)]

t1 [°C]

t0 [°C]

A

0.25

0.025

1.0

0.050

20

50

30

60

B

0.25

0.025

1.5

0.075

25

30

30

60


Prova scritta di Fisica Tecnica, Fisica Tecnica I e Fisica Tecnica II – 26.06.2007

 

Soluzioni

 

Esercizio 1

 

  1. Espansione isoterma monostadio


  2. Espansione isoentropica



  3. Espansione adiabatica monostadio



  4. Espansione adiabatica a tre stadi con due inter-riscaldamenti intermedi alla temperatura tamb




 

Lisot

Tisoe

Lisoe

Tad

Lad

T3st

L3st

TEMA

[kJ/kg]

[Wh/kg]

[K]

[°C]

[kJ/kg]

[Wh/kg]

[K]

[°C]

[kJ/kg]

[Wh/kg]

[K]

[°C]

[kJ/kg]

[Wh/kg]

A

478.8

133.0

57.7

-215.5

236.5

65.7

128.3

-144.8

165.6

46.0

207.3

-65.9

258.7

71.9

B

444.7

123.5

64.8

-208.4

229.4

63.7

133.3

-139.9

160.6

44.6

212.0

-61.2

244.6

67.9

 

 

 

 

 

Esercizio 2

 

  1. Circuito termico equivalente:

 

  1. Le resistenze termiche, per unità d’area, valgono



    Da un bilancio all’interfaccia film-substrato (nodo t0 nel circuito)



    dove



    da cui



TEMA

[m2 K/W]

[m2 K/W]

[m2 K/W]

[W/m2]

A

0.020

0.010

0.020

2833.3

B

0.033

0.010

0.020

2307.7