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Informazioni sul corso
Questo è lo schema di un corso gratuito di autoapprendimento scritto da Saving Planets. Non è un corso universitario, non dà crediti accademici e nessuna scuola è coinvolta.
Il programma segue un corso semestrale dell’ultimo anno di trasmissione del calore per ingegneri. Riprende argomenti e livello del manuale online gratuito A Heat Transfer Textbook di Lienhard e Lienhard e di MIT 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (gratuito su MIT OpenCourseWare), che colleghiamo dove sono utili. Nessuno di questi autori, atenei o enti approva questa pagina.
Cosa aggiungiamo: ogni unità è legata a un lavoro reale con una fonte pubblica citata (il bilancio energetico della Terra della NASA, Parker Solar Probe e le pompe di calore ENERGY STAR), ogni numero della pagina viene ricalcolato da uno script di verifica prima della pubblicazione, e ogni laboratorio ha una simulazione gratuita o un foglio di calcolo.
Seguilo in ordine. Ogni unità ha obiettivi, idee chiave, equazioni, esempi passo per passo, esercizi con soluzioni complete, errori comuni, flashcard e un quiz. I tuoi progressi sono salvati solo in questo browser.
Come questo corso aiuta a salvare il pianeta
Il clima della Terra è un problema di trasmissione del calore: entra luce solare, esce infrarosso termico, e convezione ed evaporazione spostano il calore nel mezzo. La stessa fisica decide quanta energia sprecano i nostri edifici, motori ed elettronica.
Isolamento, pompe di calore e scambiatori efficienti sono tra le soluzioni climatiche più economiche. Ogni unità termina con una breve sezione con fonti. I valori che non provengono da una fonte sono indicati come valori di esempio o da manuale.
Prima di iniziare
Prerequisiti
- Termodinamica: bilanci energetici e primo e secondo principio.
- Meccanica dei fluidi: strati limite, numero di Reynolds e flusso nei condotti.
- Equazioni differenziali: EDO del primo ordine e separazione delle variabili.
- Analisi III: gradienti e integrali su superfici e volumi.
Come studiare
- Disegna il sistema e ogni freccia di flusso termico prima di scrivere un’equazione.
- Usa i kelvin per l’irraggiamento e le differenze di temperatura per conduzione e convezione.
- Trasforma ogni problema in una rete di resistenze termiche quando puoi.
- Controlla i numeri adimensionali (Bi, Re, Pr, Nu, Ra) per scegliere la correlazione giusta.
- Confronta le risposte con l’esperienza quotidiana: una casa calda, una tazza che si raffredda, una padella rovente.
- Fai ogni esercizio su carta prima di aprire la risposta e ripeti i quiz qualche giorno dopo.
Attrezzatura di laboratorio (per i laboratori reali)
- Un computer o un tablet per le simulazioni PhET gratuite Energy Forms and Changes, Blackbody Spectrum e Greenhouse Effect.
- Un foglio di calcolo (va bene qualsiasi gratuito), oppure Python.
- Il manuale online gratuito A Heat Transfer Textbook in un browser web.
- Una calcolatrice.
Programma suggerito di 15 settimane
Circa 6-9 ore a settimana: lettura, esercizi e, nelle settimane di laboratorio, il laboratorio.
| Settimana | Unità | Argomenti | Lettura |
|---|---|---|---|
| 1 | Modi di trasmissione del calore e bilanci energetici | Modi e bilanci energetici | Lienhard AHTT |
| 2 | Conduzione stazionaria e resistenza termica | Resistenza termica; Laboratorio A | Lienhard AHTT |
| 3 | Cilindri, sfere e alette | Cilindri e raggio critico | Lienhard AHTT |
| 4 | Cilindri, sfere e alette | Alette; Laboratorio B | MIT 2.51 |
| 5 | Conduzione transitoria | Conduzione transitoria; Laboratorio C | Lienhard AHTT |
| 6 | Convezione forzata esterna | Strati limite | MIT 2.51 |
| 7 | Convezione forzata esterna | Correlazioni per lastra piana; Laboratorio D; esercitazione per il parziale | Lienhard AHTT |
| 8 | Flusso interno e scambiatori di calore | Flusso interno | MIT 2.51 |
| 9 | Flusso interno e scambiatori di calore | Scambiatori di calore | Lienhard AHTT |
| 10 | Convezione naturale ed ebollizione | Convezione naturale ed ebollizione | Lienhard AHTT |
| 11 | Fondamenti dell’irraggiamento | Fondamenti dell’irraggiamento; Laboratorio E | NASA Earth Observatory |
| 12 | Scambio radiativo e schermi | Fattori di vista | Lienhard AHTT |
| 13 | Scambio radiativo e schermi | Schermi e Parker Solar Probe | NASA Parker Solar Probe |
| 14 | Pompe di calore, edifici e bilancio energetico della Terra | Pompe di calore e bilancio della Terra; Laboratorio F | ENERGY STAR |
| 15 | Pompe di calore, edifici e bilancio energetico della Terra | Ripasso; esercitazione per l’esame finale | MIT 2.51 |
I tuoi progressi
Spunta unità e laboratori man mano che li finisci, e fai i quiz. Progressi e punteggi sono salvati solo in questo browser e non ci vengono mai inviati.
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Unità 1 · Settimana 1
Modi di trasmissione del calore e bilanci energetici
Conduzione, convezione e irraggiamento, le loro equazioni di flusso, e i bilanci energetici di superficie e di volume di controllo.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Nominare i tre modi e le loro leggi di flusso.
- Calcolare i flussi di conduzione, convezione e irraggiamento.
- Scrivere un bilancio energetico di superficie.
- Leggere il bilancio energetico della Terra come un bilancio termico.
Concetti chiave
- La trasmissione del calore è energia in transito dovuta a una differenza di temperatura; la termodinamica dice quanta, la trasmissione del calore dice con quale rapidità.
- La conduzione trasporta energia attraverso un solido o un fluido fermo per contatto molecolare (legge di Fourier).
- La convezione trasporta energia tra una superficie e un fluido in moto (legge di raffreddamento di Newton, con un coefficiente di scambio h).
- L’irraggiamento trasporta energia tramite onde elettromagnetiche, non richiede un mezzo e cresce con T⁴ in kelvin (legge di Stefan–Boltzmann).
- Una superficie non accumula energia, quindi ciò che arriva per un modo deve uscire per gli altri.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 1.1 Un muro di calcestruzzo di 0.2 m (k = 1.4 W/(m·K), esempio) di area 10 m² ha una differenza di 15 K. Trova q.
Mostra i passaggi
- q = 1.4 × 10 × 15/0.2.
Risposta: 1050 W.
Esempio 1.2 Una piastra con ε = 0.9 a 400 K si trova in un ambiente a 300 K. Irraggiamento netto per m²?
Mostra i passaggi
- 0.9σ(400⁴ − 300⁴) = 0.9 × 5.670374419 × 10⁻⁸ × 1.75 × 10¹⁰.
Risposta: 893 W/m².
Esempio 1.3 La NASA afferma che circa il 29% della luce solare in arrivo viene riflesso e che la media globale è circa 340 W/m². Quanto viene assorbito?
Mostra i passaggi
- Riflesso: 0.29 × 340 = 98.6 W/m².
- Assorbito: 340 − 98.6.
Risposta: 241.4 W/m², in linea con i circa 240 W/m² della NASA.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Ripeti l’esempio del muro con k = 0.04 W/(m·K).
Mostra la risposta
30 W.
Convezione con h = 25 W/(m²·K), A = 2 m², ΔT = 40 K?
Mostra la risposta
2000 W.
Perché l’irraggiamento deve usare i kelvin?
Mostra la risposta
T⁴ dipende dalla temperatura assoluta.
Perché 1360/4 è l’insolazione media globale?
Mostra la risposta
L’area di una sfera è 4 volte quella del suo disco d’ombra: 1360/4 = 340 W/m².
Errori concettuali comuni
Mito: Calore e temperatura sono la stessa cosa.
In realtà: La temperatura è uno stato; il calore è energia in transito.
Mito: L’irraggiamento ha bisogno d’aria.
In realtà: Viaggia nel vuoto.
Mito: h è una proprietà del materiale.
In realtà: Dipende dal flusso e dalla geometria.
Flashcard
Conduzione
Trasferimento di energia molecolare attraverso la materia.
Convezione
Trasferimento da una superficie a un fluido in moto.
Irraggiamento
Scambio di energia elettromagnetica.
h
Coefficiente di convezione, W/(m²·K).
k
Conduttività termica, W/(m·K).
Bilancio di superficie
Entrata = uscita su una superficie.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Il NASA Earth Observatory afferma che l’irradianza solare totale è circa 1360 W/m², in media circa 340 W/m² sul globo; circa il 29% è riflesso, il 23% assorbito dall’atmosfera e il 48% dalla superficie, quindi la Terra assorbe circa 240 W/m².
Per una temperatura stabile, la Terra deve irraggiare verso lo spazio gli stessi 240 W/m² come infrarosso termico, il bilancio termico su cui il corso torna nell’unità 10.
Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Termodinamica
Fonti: NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitolo 1.
- NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget: Scheda esplicativa della NASA.
Unità 2 · Settimana 2
Conduzione stazionaria e resistenza termica
L’equazione del calore, la conduzione stazionaria monodimensionale, le reti di resistenze termiche, le pareti composite e l’isolamento.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Enunciare l’equazione del calore e la sua forma 1D stazionaria.
- Costruire reti di resistenze in serie e in parallelo.
- Calcolare la perdita di calore attraverso una parete composita.
- Quantificare il risparmio dovuto all’isolamento.
Concetti chiave
- L’equazione del calore bilancia conduzione, generazione e accumulo; a regime senza generazione una parete piana ha un profilo di temperatura lineare.
- Ogni strato si comporta come un resistore elettrico: R = L/(kA) per la conduzione, 1/(hA) per la convezione.
- Le resistenze in serie si sommano; il flusso termico è il ΔT complessivo diviso per la resistenza totale, come una corrente.
- La resistenza maggiore controlla il flusso, ed è per questo che l’isolamento (k basso) conta di più.
- La resistenza di contatto tra strati può aggiungere una resistenza sorprendente in elettronica e giunzioni.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 2.1 Una parete ha aria interna (h = 8), 0.1 m di isolante (k = 0.04), 0.1 m di mattoni (k = 0.7) e aria esterna (h = 25), tutti valori di esempio. Trova la resistenza per m².
Mostra i passaggi
- 1/8 + 0.1/0.04 + 0.1/0.7 + 1/25 = 0.125 + 2.5 + 0.1429 + 0.04.
Risposta: 2.808 m²·K/W.
Esempio 2.2 Con 20 K tra interno ed esterno, trova il flusso termico e la perdita attraverso 100 m².
Mostra i passaggi
- q″ = 20/2.808 = 7.12 W/m².
- q = 100 × 7.12.
Risposta: 712 W.
Esempio 2.3 Togli l’isolante. Di quanto cresce la perdita?
Mostra i passaggi
- R″ = 0.3079 m²·K/W.
- q″ = 20/0.3079 = 64.97 W/m².
Risposta: Circa 9.1 volte; l’isolante riduce la perdita dell’89.0%.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Raddoppia l’isolante a 0.2 m. Nuovo q″?
Mostra la risposta
R″ = 5.308, q″ = 3.77 W/m².
Quale strato domina nella parete originale?
Mostra la risposta
L’isolante, 2.5 su 2.808 m²·K/W.
Scrivi R per due strati in parallelo.
Mostra la risposta
1/R = 1/R₁ + 1/R₂.
Forma di T(x) in una parete piana a regime?
Mostra la risposta
Lineare.
Errori concettuali comuni
Mito: Gli strati sottili non contano mai.
In realtà: Uno strato sottile a basso k può dominare.
Mito: Le resistenze in serie si moltiplicano.
In realtà: Si sommano.
Mito: I film d’aria non aggiungono nulla.
In realtà: La resistenza convettiva è reale.
Flashcard
Resistenza termica
ΔT per unità di flusso termico.
Equazione del calore
Bilancio energetico in un solido.
Parete composita
Strati in serie.
Isolamento
Materiale a basso k.
Resistenza di contatto
Resistenza a un’interfaccia.
Trasmittanza U
Coefficiente globale, 1/R″.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
ENERGY STAR afferma che una tipica bolletta energetica di una famiglia statunitense è di circa $1900 l’anno e quasi la metà va a riscaldamento e raffrescamento.
La parete di esempio di questa unità mostra perché sigillare e isolare viene prima: aggiungere isolante ha ridotto la perdita per conduzione di circa l’89%, quindi qualunque impianto di riscaldamento ha molto meno calore da reintegrare.
Su Saving Planets: Soluzioni · Termodinamica
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitolo 2.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni gratuite del MIT.
Unità 3 · Settimane 3–4
Cilindri, sfere e alette
Conduzione radiale, isolamento delle tubazioni e raggio critico, superfici estese, efficienza delle alette e raffreddamento dell’elettronica.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Calcolare la resistenza di conduzione radiale.
- Trovare il raggio critico di isolamento.
- Calcolare il parametro d’aletta m e l’efficienza dell’aletta.
- Stimare il calore di un’aletta.
Concetti chiave
- In un cilindro l’area cresce con il raggio, quindi il profilo di temperatura è logaritmico e R = ln(r₂/r₁)/(2πkL).
- Aggiungere isolante a un filo sottile può aumentare la perdita di calore finché il raggio esterno non supera il raggio critico k/h.
- Le alette aggiungono area dove h è basso (di solito nei gas), come su cilindri dei motori, dissipatori e radiatori.
- Il parametro d’aletta m = √(hP/(kA_c)) fissa quanto rapidamente la temperatura dell’aletta decade dalla base.
- L’efficienza dell’aletta confronta il calore reale con quello che si avrebbe se tutta l’aletta fosse alla temperatura della base.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 3.1 Isolamento di un tubo da r = 0.05 a 0.1 m, k = 0.04 W/(m·K), lungo 1 m, 100 K di differenza (valori di esempio). Trova R e q.
Mostra i passaggi
- R = ln 2/(2π × 0.04) = 2.758 K/W.
- q = 100/2.758.
Risposta: 36.3 W per metro.
Esempio 3.2 Un’aletta a spina in alluminio (k = 200) ha 5 mm di diametro con h = 50 W/(m²·K) e una lunghezza efficace di 20 mm. Trova η.
Mostra i passaggi
- m = √(4h/(kD)) = √(200/1) = 14.14 m⁻¹.
- mL = 0.2828.
- η = tanh(0.2828)/0.2828.
Risposta: 0.974.
Esempio 3.3 Calore di quell’aletta con un eccesso di 50 K alla base?
Mostra i passaggi
- A_f = πDL = 3.142 × 10⁻⁴ m².
- q = ηhA_fθ = 0.974 × 50 × 3.142 × 10⁻⁴ × 50.
Risposta: 0.765 W.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Raggio critico per k = 0.04 e h = 8?
Mostra la risposta
5 mm.
Efficienza dell’aletta con L = 40 mm?
Mostra la risposta
mL = 0.566, η = 0.905.
Perché le alette sono più adatte all’aria che all’acqua?
Mostra la risposta
Il basso h dell’aria rende l’area il collo di bottiglia.
Forma del profilo in una parete cilindrica?
Mostra la risposta
Logaritmica.
Errori concettuali comuni
Mito: Più isolante aiuta sempre.
In realtà: Non sotto il raggio critico.
Mito: Alette più lunghe aiutano sempre molto.
In realtà: L’efficienza cala con la lunghezza.
Mito: Le alette funzionano in qualsiasi mezzo.
In realtà: Convengono dove h è basso.
Flashcard
Raggio critico
k/h per i cilindri.
Fin
Superficie estesa.
Efficienza dell’aletta
Calore reale su calore ideale dell’aletta.
m
Parametro di decadimento dell’aletta.
Dissipatore
Insieme di alette.
Profilo logaritmico
Temperatura stazionaria di un cilindro.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Il calore si muove in una parete di tubo come nella crosta di un pianeta: dal caldo al freddo, attraverso resistenze in serie.
Isolare i tubi dell’acqua calda e del vapore è uno dei passi di efficienza più semplici in edifici e industria. Tutti i valori di questa unità sono valori da manuale di esempio.
Su Saving Planets: Soluzioni · Circuiti
Fonti: J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition)
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitolo 4.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni gratuite del MIT.
Unità 4 · Settimana 5
Conduzione transitoria
Il numero di Biot, il modello a capacità concentrata, le costanti di tempo, e quando contano i gradienti spaziali di temperatura.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Calcolare il numero di Biot.
- Usare il modello concentrato quando Bi < 0.1.
- Calcolare una costante di tempo termica.
- Trovare il tempo per raggiungere una temperatura obiettivo.
Concetti chiave
- Il numero di Biot confronta la resistenza conduttiva interna con la resistenza convettiva esterna.
- Quando Bi < 0.1 il corpo è quasi uniforme in temperatura e il modello concentrato funziona.
- Nel modello concentrato l’eccesso di temperatura decade esponenzialmente con costante di tempo τ = ρcV/(hA).
- Per Bi maggiori, usa soluzioni in serie a un termine o diagrammi (Heisler) o un metodo numerico.
- Un’elevata capacità termica rallenta la risposta: oceani e muri spessi sono volani termici.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 4.1 Una sfera di alluminio da 10 mm (k = 237, ρ = 2700, c = 900) si raffredda in aria con h = 50. Trova Bi.
Mostra i passaggi
- L_c = D/6 = 1.667 × 10⁻³ m.
- Bi = 50 × 1.667 × 10⁻³/237.
Risposta: 3.52 × 10⁻⁴, quindi il modello concentrato funziona.
Esempio 4.2 Trova τ per quella sfera.
Mostra i passaggi
- τ = 2700 × 900 × 1.667 × 10⁻³/50.
Risposta: 81 s.
Esempio 4.3 Quanto tempo per raffreddarsi da 300 °C a 50 °C in aria a 20 °C?
Mostra i passaggi
- θ_i = 280 K, θ = 30 K.
- t = 81 ln(280/30) = 81 × 2.234.
Risposta: 181 s.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Frazione dell’eccesso rimasta dopo un τ?
Mostra la risposta
e⁻¹ = 0.368.
Tempo per dimezzare l’eccesso?
Mostra la risposta
τ ln 2 = 56.1 s.
Bi = 0.5. Il modello concentrato è valido?
Mostra la risposta
No; usa soluzioni in serie o numeriche.
Raddoppia h. Che cosa succede a τ?
Mostra la risposta
Si dimezza a 40.5 s.
Errori concettuali comuni
Mito: Bi è il numero di Nusselt.
In realtà: Bi usa la k del solido; Nu quella del fluido.
Mito: Il modello concentrato vale per qualsiasi dimensione.
In realtà: Solo quando Bi < 0.1.
Mito: Il raffreddamento è lineare nel tempo.
In realtà: È esponenziale.
Flashcard
Numero di Biot
Resistenza interna su esterna.
Capacità concentrata
Modello a temperatura uniforme.
Costante di tempo
ρcV/(hA).
Diagramma di Heisler
Diagramma della soluzione transitoria a un termine.
Massa termica
Capacità termica che rallenta i cambiamenti.
L_c
Lunghezza caratteristica V/A.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
L’Earth Observatory della NASA osserva che la superficie terrestre ha una media di circa 15 °C, oltre 30 °C in più di quanto avrebbe senza atmosfera.
Nel linguaggio di questa unità, una grande capacità termica significa una lunga costante di tempo; la capacità termica degli oceani dà al clima terrestre una risposta lenta (un’idea da manuale, non un dato NASA).
Su Saving Planets: Oceani · Osservazione della Terra
Fonti: NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitolo 5.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni gratuite del MIT.
Unità 5 · Settimane 6–7
Convezione forzata esterna
Strati limite, numeri di Reynolds, Prandtl e Nusselt, correlazioni per lastra piana e flusso attorno a cilindri.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Calcolare Re, Pr e Nu.
- Usare la correlazione laminare per lastra piana.
- Trovare h e la potenza termica.
- Verificare la transizione a Re ≈ 5 × 10⁵.
Concetti chiave
- Su una superficie si formano strati limite di velocità e termico; il calore attraversa per conduzione il sottile strato di fluido lento.
- Il numero di Nusselt Nu = hL/k è il coefficiente di scambio termico adimensionale.
- Il numero di Prandtl confronta la diffusività della quantità di moto e quella termica (circa 0.7 per l’aria, circa 7 per l’acqua vicino alla temperatura ambiente, valori da manuale).
- Su una lastra piana il flusso è di solito laminare sotto Re ≈ 5 × 10⁵; la turbolenza aumenta h.
- Le correlazioni sono adattamenti a esperimenti; usale entro gli intervalli indicati.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 5.1 Aria (ν = 1.5 × 10⁻⁵, k = 0.026, Pr = 0.71) scorre a 5 m/s su una lastra di 0.5 m. Trova Re.
Mostra i passaggi
- Re = 5 × 0.5/1.5 × 10⁻⁵.
Risposta: 166667, laminare.
Esempio 5.2 Trova Nu medio e h.
Mostra i passaggi
- Nu = 0.664 × 166,667^½ × 0.71^⅓ = 0.664 × 408.2 × 0.892 = 241.8.
- h = 241.8 × 0.026/0.5.
Risposta: 12.6 W/(m²·K).
Esempio 5.3 Calore da una lastra di 0.5 × 1 m a 30 K sopra l’aria?
Mostra i passaggi
- q = 12.58 × 0.5 × 30.
Risposta: 189 W.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Ripeti h a 10 m/s.
Mostra la risposta
Re = 333333, h = 17.8 W/(m²·K) (√2 volte maggiore).
Re a 1 m/s?
Mostra la risposta
33,333.
Dai un nome all’h adimensionale.
Mostra la risposta
Numero di Nusselt.
Perché la turbolenza aumenta h?
Mostra la risposta
Il mescolamento assottiglia lo strato lento vicino alla parete.
Errori concettuali comuni
Mito: Nu usa la k del solido.
In realtà: Usa la k del fluido.
Mito: Una correlazione vale per tutti i flussi.
In realtà: Verifica intervallo e geometria.
Mito: h è costante lungo una lastra.
In realtà: L’h locale cala man mano che lo strato cresce.
Flashcard
Numero di Reynolds
Inerzia su viscosità.
Numero di Prandtl
ν/α.
Numero di Nusselt
hL/k.
Strato limite
Sottile regione vicino alla parete.
Correlazione
Adattamento a esperimenti.
Transizione
Da laminare a turbolento.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
L’Earth Observatory della NASA afferma che la convezione trasporta circa il 5% dell’energia solare in arrivo dalla superficie all’atmosfera, mentre l’evaporazione ne trasporta circa il 25%.
La velocità del vento fissa h su oceani e terre come la velocità fissa h sulla lastra di questa unità; per questo i venti determinano quanto rapidamente la superficie cede calore.
Su Saving Planets: Meccanica dei fluidi · Oceani
Fonti: NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitoli 6–7.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni gratuite del MIT.
Unità 6 · Settimane 8–9
Flusso interno e scambiatori di calore
Convezione nei condotti, temperatura media, la correlazione di Dittus–Boelter, tipi di scambiatori di calore, LMTD ed efficacia–NTU.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Usare le correlazioni laminari e turbolente nei condotti.
- Calcolare una differenza di temperatura media logaritmica.
- Dimensionare uno scambiatore con UA e LMTD.
- Usare il metodo efficacia–NTU.
Concetti chiave
- In un condotto la temperatura media di miscela varia lungo la lunghezza quando il calore entra o esce.
- Il flusso laminare completamente sviluppato con temperatura di parete costante ha Nu = 3.66; il flusso turbolento usa Dittus–Boelter (correlazioni da manuale).
- Gli scambiatori in controcorrente battono quelli in equicorrente perché la differenza di temperatura resta più uniforme.
- Il metodo LMTD è adatto al dimensionamento quando tutte e quattro le temperature sono note.
- Il metodo ε-NTU è adatto alla verifica quando le temperature di uscita sono ignote.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 6.1 Acqua (k = 0.6, Pr = 7, valori da manuale) scorre con Re = 20000 in un tubo da 20 mm. Trova h.
Mostra i passaggi
- Nu = 0.023 × 20,000^0.8 × 7^0.4 = 138.2.
- h = 138.2 × 0.6/0.02.
Risposta: Circa 4150 W/(m²·K).
Esempio 6.2 Controcorrente: caldo 90 → 50 °C, freddo 20 → 40 °C. Trova la LMTD.
Mostra i passaggi
- ΔT₁ = 90 − 40 = 50 K; ΔT₂ = 50 − 20 = 30 K.
- LMTD = 20/ln(50/30).
Risposta: 39.15 K.
Esempio 6.3 Con U = 500 W/(m²·K) e A = 2 m², trova q.
Mostra i passaggi
- q = 500 × 2 × 39.15.
Risposta: 39.2 kW.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
ε per NTU = 2 quando un flusso condensa (C_r = 0)?
Mostra la risposta
1 − e⁻² = 0.865.
Nu laminare a temperatura di parete costante?
Mostra la risposta
3.66.
Perché preferire la controcorrente?
Mostra la risposta
ΔT più uniforme, più calore per area.
Nu di Dittus–Boelter per Pr = 0.7, Re = 20000?
Mostra la risposta
55.0.
Errori concettuali comuni
Mito: Usare il ΔT medio aritmetico.
In realtà: Usa la media logaritmica.
Mito: ε può superare 1.
In realtà: Non può.
Mito: Le correlazioni laminari valgono per il flusso turbolento.
In realtà: Controlla prima Re.
Flashcard
LMTD
ΔT medio logaritmico.
NTU
UA/C_min.
Efficacia
Calore reale su calore massimo.
Controcorrente
Flussi in direzioni opposte.
Sporcamento
Depositi che aggiungono resistenza.
Dittus–Boelter
Correlazione turbolenta nei condotti.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
ENERGY STAR spiega che una pompa di calore aria-aria sposta calore tra aria interna ed esterna invece di produrlo da combustibile, usando scambiatori di calore (batterie) su entrambi i lati.
Scambiatori migliori richiedono una differenza di temperatura minore per spostare lo stesso calore, uno dei motivi per cui le pompe di calore moderne forniscono più calore per unità di elettricità.
Su Saving Planets: Soluzioni · Termodinamica
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitoli 3 e 7.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni gratuite del MIT.
Unità 7 · Settimana 10
Convezione naturale ed ebollizione
Flusso dovuto al galleggiamento, numeri di Grashof e Rayleigh, correlazioni per lastra verticale e un’introduzione a ebollizione e condensazione.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Calcolare il numero di Rayleigh.
- Usare una correlazione per lastra verticale.
- Confrontare h naturale e forzato.
- Descrivere la curva di ebollizione.
Concetti chiave
- Il fluido caldo è più leggero e sale; è il galleggiamento, non un ventilatore, a muovere il flusso.
- Il numero di Rayleigh Ra = gβΔTL³/(να) svolge il ruolo che Re svolge nel flusso forzato.
- Su una lastra verticale il flusso è laminare sotto circa Ra = 10⁹ (valore da manuale).
- L’h di convezione naturale in aria è di pochi W/(m²·K), quindi l’irraggiamento è spesso comparabile.
- Ebollizione e condensazione trasferiscono molto calore con piccoli ΔT grazie al calore latente.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 7.1 Una lastra verticale di 0.3 m è 30 K sopra l’aria (β = 1/300 K⁻¹, ν = 1.6 × 10⁻⁵, α = 2.2 × 10⁻⁵, valori di esempio). Trova Ra.
Mostra i passaggi
- Ra = 9.80665 × (1/300) × 30 × 0.3³/(1.6 × 10⁻⁵ × 2.2 × 10⁻⁵).
Risposta: 7.52 × 10⁷, laminare.
Esempio 7.2 Trova Nu e h con k = 0.026.
Mostra i passaggi
- Nu = 0.59 × (7.52 × 10⁷)^¼ = 54.9.
- h = 54.9 × 0.026/0.3.
Risposta: 4.76 W/(m²·K).
Esempio 7.3 Calore da una lastra di 0.3 × 1 m?
Mostra i passaggi
- q = 4.76 × 0.3 × 30.
Risposta: 42.9 W.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Confronta con l’h forzato di 12.6 dell’unità 5.
Mostra la risposta
Il forzato è circa 2.64 volte maggiore.
Limite laminare su Ra?
Mostra la risposta
Circa 10⁹.
Perché l’ebollizione è così efficace?
Mostra la risposta
Il calore latente trasferisce energia con piccoli ΔT.
β per un gas ideale a 300 K?
Mostra la risposta
1/300 K⁻¹ = 3.33 × 10⁻³.
Errori concettuali comuni
Mito: La convezione naturale è trascurabile.
In realtà: Spesso eguaglia l’irraggiamento.
Mito: Ra usa la velocità.
In realtà: Usa il galleggiamento.
Mito: L’h di ebollizione è basso.
In realtà: È tra i più alti.
Flashcard
Numero di Rayleigh
Intensità del galleggiamento.
Numero di Grashof
Galleggiamento su viscosità.
β
Coefficiente di dilatazione.
Curva di ebollizione
Flusso termico in funzione del surriscaldamento di parete.
Flusso termico critico
Flusso massimo di ebollizione nucleata.
Condensazione
Da vapore a liquido su una parete fredda.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
L’Earth Observatory della NASA afferma che l’evaporazione rimuove circa il 25% dell’energia solare in arrivo dalla superficie e la convezione circa il 5%; il calore latente viene rilasciato quando il vapore acqueo condensa in nubi.
Con un’insolazione media di 340 W/m², queste quote valgono circa 85 e 17 W/m², gli stessi processi di cambiamento di fase e galleggiamento trattati in questa unità.
Su Saving Planets: Oceani · Osservazione della Terra
Fonti: NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitoli 8–9.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni gratuite del MIT.
Unità 8 · Settimana 11
Fondamenti dell’irraggiamento
Corpi neri, legge di Planck, legge di Wien, legge di Stefan–Boltzmann, emissività, assorbività e legge di Kirchhoff.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Trovare la lunghezza d’onda di picco di un corpo nero.
- Calcolare il potere emissivo.
- Usare emissività e assorbività.
- Trovare la temperatura effettiva di un pianeta.
Concetti chiave
- Un corpo nero assorbe tutta la radiazione ed emette il massimo possibile a ogni temperatura e lunghezza d’onda.
- Legge di Wien: la lunghezza d’onda di picco è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta.
- Il potere emissivo totale cresce come σT⁴, quindi raddoppiare la temperatura moltiplica l’emissione per 16.
- Le superfici reali emettono una frazione ε della potenza del corpo nero; per una superficie grigia α = ε (Kirchhoff).
- La radiazione solare è a onda corta; l’emissione della Terra è infrarossa a onda lunga, ed è per questo che contano gas come CO₂ e vapore acqueo.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 8.1 La NASA attribuisce al Sole circa 5800 K. Trova la sua lunghezza d’onda di picco.
Mostra i passaggi
- 2898/5800.
Risposta: 0.500 µm, luce visibile.
Esempio 8.2 La Terra assorbe circa 240 W/m² (NASA). Trova la sua temperatura effettiva.
Mostra i passaggi
- T = (240/5.670374419 × 10⁻⁸)^¼.
Risposta: 255.1 K, circa −18 °C (la NASA arrotonda a circa −20 °C).
Esempio 8.3 Emissione di corpo nero di una superficie a 288 K?
Mostra i passaggi
- σ × 288⁴.
Risposta: 390 W/m².
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Lunghezza d’onda di picco a 288 K?
Mostra la risposta
10.06 µm, infrarosso termico.
Rapporto di emissione quando T raddoppia?
Mostra la risposta
2⁴ = 16.
Picco per un filamento di lampada a 3000 K?
Mostra la risposta
0.966 µm, vicino infrarosso.
Superficie grigia con ε = 0.8: α?
Mostra la risposta
0.8.
Errori concettuali comuni
Mito: Caldo significa visibile.
In realtà: Gli oggetti a temperatura ambiente brillano nell’infrarosso.
Mito: Usare °C in σT⁴.
In realtà: Usa i kelvin.
Mito: Lucido significa freddo.
In realtà: Un ε basso significa che emette e assorbe poco.
Flashcard
Corpo nero
Assorbitore ed emettitore perfetto.
Legge di Wien
λ_max T = 2898 µm·K.
Emissività
Emissione relativa al corpo nero.
Legge di Kirchhoff
α = ε per le superfici grigie.
Legge di Planck
Emissione spettrale del corpo nero.
Temperatura effettiva
T equivalente di corpo nero.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
L’Earth Observatory della NASA afferma che la superficie del Sole è a circa 5800 K, che la temperatura radiativa effettiva della Terra è di circa −20 °C e che raddoppiare la temperatura di un oggetto moltiplica la sua energia irradiata per 16.
La NASA osserva anche che il vapore acqueo lascia sfuggire la maggior parte dell’infrarosso tra 8 e 14 µm, mentre l’anidride carbonica assorbe oltre circa 12–13 µm, vicino al bordo di quella finestra.
Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Soluzioni
Fonti: NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitolo 10.
- PhET: Blackbody Spectrum: Simulazione gratuita.
Unità 9 · Settimane 12–13
Scambio radiativo e schermi
Fattori di vista, reciprocità, reti di superfici grigie, lastre parallele, schermi di radiazione e protezione termica nello spazio.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Usare la reciprocità dei fattori di vista.
- Calcolare lo scambio netto tra lastre parallele.
- Mostrare come uno schermo riduce il flusso di calore.
- Stimare la radiazione da uno schermo caldo.
Concetti chiave
- Il fattore di vista F₁₂ è la frazione della radiazione che lascia la superficie 1 e raggiunge la superficie 2.
- Reciprocità: A₁F₁₂ = A₂F₂₁; somma: i fattori di vista da una superficie sommano a 1.
- Le superfici grigie scambiano calore attraverso resistenze superficiali (1 − ε)/(εA) e resistenze spaziali 1/(A₁F₁₂).
- Uno schermo sottile a basso ε tra due lastre aggiunge resistenze e riduce nettamente lo scambio; l’isolamento multistrato ne impila molti.
- Uno scudo termico rivolto al Sole si scalda, irradia di nuovo e protegge ciò che sta nella sua ombra.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 9.1 Grandi lastre parallele a 400 K e 300 K, entrambe ε = 0.8. Flusso netto?
Mostra i passaggi
- Denominatore: 1.25 + 1.25 − 1 = 1.5.
- q″ = σ(400⁴ − 300⁴)/1.5.
Risposta: 662 W/m².
Esempio 9.2 Inserisci uno schermo con ε = 0.05 su entrambi i lati.
Mostra i passaggi
- Resistenza: 2 × (1.25 + 20 − 1) = 40.5.
- q″ = σ × 1.75 × 10¹⁰/40.5.
Risposta: 24.5 W/m², 27 volte meno.
Esempio 9.3 Una piccola sfera (A₁ = 1 m²) si trova dentro un guscio di area 4 m². Trova F₂₁.
Mostra i passaggi
- F₁₂ = 1.
- F₂₁ = A₁F₁₂/A₂.
Risposta: 0.25.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Flusso di corpo nero al limite di 1377 °C dello scudo della Parker?
Mostra la risposta
σ × 1650.15⁴ = 4.20 × 10⁵ W/m².
Perché un solo schermo con ε = 0.05 funziona così bene?
Mostra la risposta
Le sue due resistenze superficiali aggiungono circa 39.
Somma dei fattori di vista da una superficie di una cavità?
Mostra la risposta
1.
Che cos’è l’MLI?
Mostra la risposta
Molti schermi sottili a basso ε impilati.
Errori concettuali comuni
Mito: I fattori di vista sono simmetrici.
In realtà: Solo A₁F₁₂ = A₂F₂₁.
Mito: Gli schermi devono essere spessi.
In realtà: Conta il basso ε, non lo spessore.
Mito: Le superfici nere sono buoni schermi.
In realtà: Gli schermi richiedono basso ε.
Flashcard
Fattore di vista
Frazione di radiazione intercettata.
Reciprocità
A₁F₁₂ = A₂F₂₁.
Radiosità
Tutta la radiazione che lascia una superficie.
Schermo di radiazione
Barriera a basso ε.
MLI
Isolamento multistrato.
Superficie grigia
ε indipendente dalla lunghezza d’onda.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
La NASA afferma che la Parker Solar Probe, lanciata il 12 agosto 2018, è protetta da uno scudo in composito di carbonio da 4.5 pollici (11.43 cm) che resiste a quasi 2500 °F (1377 °C) mentre la sonda passa a circa 3.9 milioni di miglia (6.2 milioni di km) dal Sole.
Nel 2021 la Parker è diventata il primo veicolo spaziale ad attraversare la corona solare; il suo scudo tiene in ombra gli strumenti retrostanti, la stessa idea dello schermo di radiazione di questa unità.
Su Saving Planets: Progettazione di veicoli spaziali · Osservazione della Terra
Risorse di apprendimento gratuite
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale gratuito, capitolo 10.
- NASA Science: Parker Solar Probe: Pagina della missione NASA.
Unità 10 · Settimane 14–15
Pompe di calore, edifici e bilancio energetico della Terra
COP delle pompe di calore, limiti di Carnot, dispersioni di un intero edificio e squilibrio energetico planetario misurato dallo spazio.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Calcolare il COP di una pompa di calore e il suo limite di Carnot.
- Dimensionare l’elettricità per un carico di riscaldamento.
- Convertire uno squilibrio di flusso in potenza totale.
- Collegare i tre modi in un unico sistema.
Concetti chiave
- Una pompa di calore sposta calore dal freddo al caldo usando lavoro; il suo COP di riscaldamento è il calore fornito diviso il lavoro.
- Il COP di Carnot, T_h/(T_h − T_c), è un limite superiore che cala al diminuire della temperatura esterna.
- La dispersione di un edificio è il suo UA per la differenza interno–esterno; l’isolamento riduce UA prima di acquistare impianti.
- Lo squilibrio energetico della Terra è una piccola differenza tra due grandi flussi, misurata da satelliti come gli strumenti CERES della NASA.
- Ogni sistema di questo corso combina conduzione, convezione e irraggiamento in una rete di resistenze.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 10.1 ENERGY STAR afferma che una pompa di calore può fornire fino a tre volte più calore dell’elettricità che consuma. Elettricità per 9 kW di calore?
Mostra i passaggi
- W = 9/3.
Risposta: 3 kW.
Esempio 10.2 COP di riscaldamento di Carnot con mandata a 35 °C (308 K) e 0 °C (273 K) all’esterno?
Mostra i passaggi
- 308/(308 − 273).
Risposta: 8.8; le unità reali raggiungono circa un terzo di quel valore.
Esempio 10.3 La NASA indica uno squilibrio di poco più di 0.8 W/m². Con un’area terrestre di 5.1 × 10¹⁴ m² (valore da manuale), potenza totale?
Mostra i passaggi
- 0.8 × 5.1 × 10¹⁴.
Risposta: Circa 4.1 × 10¹⁴ W.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Metà di una bolletta energetica annua di $1900?
Mostra la risposta
Circa $950 per riscaldamento e raffrescamento.
COP di Carnot con −10 °C (263 K) all’esterno, mandata a 308 K?
Mostra la risposta
6.84.
Perché isolare prima di comprare una pompa di calore?
Mostra la risposta
Un UA minore significa un’unità più piccola ed economica.
Che cosa misura CERES?
Mostra la risposta
L’energia radiante della Terra dallo spazio.
Errori concettuali comuni
Mito: Un COP superiore a 1 viola la conservazione dell’energia.
In realtà: Il calore viene spostato, non creato.
Mito: Abbassare molto le pompe di calore di notte.
In realtà: ENERGY STAR consiglia un’impostazione costante.
Mito: 0.8 W/m² è trascurabile.
In realtà: Su tutta la Terra sono circa 4 × 10¹⁴ W.
Flashcard
COP
Calore fornito per unità di lavoro.
COP di Carnot
Limite ideale.
UA
Conduttanza complessiva.
Squilibrio energetico
Assorbito meno emesso.
CERES
Strumenti NASA per il bilancio radiativo.
Pompa di calore
Sposta calore con lavoro.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
ENERGY STAR afferma che una pompa di calore aria-aria può fornire fino a tre volte più energia termica dell’energia elettrica che consuma, perché sposta il calore invece di produrlo.
L’Earth Observatory della NASA afferma che la Terra assorbe poco più di 0.8 W/m² in più di quanto emette; gli strumenti CERES della NASA misurano il bilancio radiativo dall’orbita.
Su Saving Planets: Soluzioni · Osservazione della Terra
Fonti: ENERGY STAR: Air-Source Heat Pumps · NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget · NASA Langley: CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)
Risorse di apprendimento gratuite
- ENERGY STAR: Air-Source Heat Pumps: Guida ENERGY STAR.
- NASA Langley: CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System): NASA CERES.
Il laboratorio (Heat transfer lab)
Il laboratorio è la parte pratica del corso. Qui è gratuito e solo per esercitarsi, senza crediti.
Ogni laboratorio si svolge in una simulazione gratuita o in un foglio di calcolo, quindi non ci sono rischi di ustioni o elettrici. Non scaldare, far bollire o accendere nulla per questo corso. Fai pause dallo schermo, mantieni una buona postura e tieni i cavi fuori dai passaggi.
Riferimento per la sicurezza: OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)
Laboratorio A: Flusso di calore e un calcolatore di isolamento delle pareti
Settimana 2
Obiettivo: Osserva il flusso di calore tra oggetti in PhET Energy Forms and Changes, poi calcola il flusso termico di una parete per diversi spessori di isolante.
Procedimento
- In PhET Energy Forms and Changes, scalda un blocco e osserva l’energia fluire verso il vicino e verso l’aria.
- In un foglio di calcolo, inserisci la parete dell’unità 2 senza isolante: R″ = 0.3079 m²·K/W.
- Aggiungi strati di isolante da 0.05, 0.1 e 0.2 m (k = 0.04) e calcola q″ per ΔT = 20 K.
- Traccia q″ in funzione dello spessore e nota i rendimenti decrescenti.
Tabella dei dati
| Isolante (m) | R″ (m²·K/W) | q″ (W/m²) |
|---|---|---|
| 0 | 0.3079 | 64.96 |
| 0.05 | 1.558 | 12.84 |
| 0.1 | 2.808 | 7.12 |
| 0.2 | 5.308 | 3.77 |
Valori d’esempio calcolati.
Calcolo di esempio
- R″(0.05) = 0.3079 + 0.05/0.04 = 1.558.
- q″ = 20/1.558 = 12.84 W/m².
Sicurezza
- Solo computer.
Alternativa a casa o virtuale
- Va bene qualsiasi foglio di calcolo.
PhET: Energy Forms and Changes
Legame con il pianeta: ENERGY STAR: quasi metà di una tipica bolletta energetica domestica di $1900 va a riscaldamento e raffrescamento. ENERGY STAR: Air-Source Heat Pumps
Laboratorio B: Esploratore dell’efficienza delle alette
Settimana 4
Obiettivo: Calcola l’efficienza di un’aletta a spillo per diverse lunghezze e vedi dove allungarla smette di convenire.
Procedimento
- Inserisci l’aletta dell’unità 3: k = 200, D = 5 mm, h = 50, quindi m = 14.14 m⁻¹.
- Calcola η per L = 10, 20 e 40 mm.
- Calcola il calore dell’aletta per un eccesso di 50 K alla base.
- Porta h a 200 e ripeti.
Tabella dei dati
| L (mm) | mL | η |
|---|---|---|
| 10 | 0.1414 | 0.993 |
| 20 | 0.2828 | 0.974 |
| 40 | 0.5657 | 0.905 |
Valori d’esempio calcolati.
Calcolo di esempio
- m = √(4 × 50/(200 × 0.005)) = 14.14 m⁻¹.
- η(40 mm) = tanh(0.5657)/0.5657 = 0.905.
Sicurezza
- Solo computer.
Alternativa a casa o virtuale
- Va bene qualsiasi foglio di calcolo.
J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition)
Legame con il pianeta: Alette e scambiatori efficienti permettono alle pompe di calore di spostare più calore per unità di elettricità (ENERGY STAR). ENERGY STAR: Air-Source Heat Pumps
Laboratorio C: Curva di raffreddamento concentrato
Settimana 5
Obiettivo: Modella in un foglio di calcolo il raffreddamento della sfera di alluminio dell’unità 4 e confronta una curva esatta con una soluzione passo passo (Euler).
Procedimento
- Inserisci T_i = 300 °C, T∞ = 20 °C, τ = 81 s.
- Calcola T a ogni τ fino a 3τ.
- Aggiungi una colonna Euler con passo di 5 s e confronta.
- Raddoppia h e ripeti.
Tabella dei dati
| t (s) | T (°C) |
|---|---|
| 0 | 300 |
| 81 | 123.0 |
| 162 | 57.9 |
| 243 | 33.9 |
Valori d’esempio calcolati.
Calcolo di esempio
- T(81) = 20 + 280e⁻¹ = 123.0 °C.
- T(243) = 20 + 280e⁻³ = 33.9 °C.
Sicurezza
- Solo computer.
Alternativa a casa o virtuale
- Va bene qualsiasi foglio di calcolo.
PhET: Energy Forms and Changes
Legame con il pianeta: NASA: la superficie terrestre ha una media di circa 15 °C, oltre 30 °C in più che senza atmosfera. NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Laboratorio D: Calcolatore di convezione su lastra piana
Settimana 7
Obiettivo: Calcola Re e l’h medio per aria su una lastra di 0.5 m a diverse velocità.
Procedimento
- Inserisci le proprietà dell’aria: ν = 1.5 × 10⁻⁵, k = 0.026, Pr = 0.71.
- Calcola Re e h a 1, 5 e 10 m/s.
- Verifica che ogni Re sia sotto 5 × 10⁵.
- Traccia h in funzione di √V.
Tabella dei dati
| V (m/s) | Re | h (W/(m²·K)) |
|---|---|---|
| 1 | 33,333 | 5.62 |
| 5 | 166,667 | 12.58 |
| 10 | 333,333 | 17.78 |
Valori d’esempio calcolati.
Calcolo di esempio
- Re(1) = 1 × 0.5/1.5 × 10⁻⁵ = 33,333.
- h(10) = 0.664 × 577.4 × 0.892 × 0.052 = 17.78.
Sicurezza
- Solo computer.
Alternativa a casa o virtuale
- Va bene qualsiasi foglio di calcolo.
MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008)
Legame con il pianeta: NASA: la convezione trasporta circa il 5% dell’energia solare in arrivo dalla superficie. NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Laboratorio E: Spettri di corpo nero
Settimana 11
Obiettivo: Usa PhET Blackbody Spectrum per vedere la legge di Wien, poi verifica i picchi in un foglio di calcolo.
Procedimento
- In PhET Blackbody Spectrum, imposta il Sole, una lampada e la Terra.
- Leggi la lunghezza d’onda di picco dal grafico.
- Calcola 2898/T per 288, 3000 e 5800 K.
- Calcola σT⁴ per ciascuno.
Tabella dei dati
| T (K) | λ_max (µm) | σT⁴ (W/m²) |
|---|---|---|
| 288 | 10.06 | 390 |
| 3000 | 0.966 | 4.59 × 10⁶ |
| 5800 | 0.500 | 6.42 × 10⁷ |
Valori calcolati.
Calcolo di esempio
- 2898/288 = 10.06 µm.
- σ × 5800⁴ = 6.42 × 10⁷ W/m².
Sicurezza
- Solo computer.
Alternativa a casa o virtuale
- Funziona in un browser web.
Legame con il pianeta: NASA: il Sole è a circa 5800 K. NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Laboratorio F: Effetto serra e bilancio energetico
Settimana 14
Obiettivo: Esplora PhET Greenhouse Effect, poi calcola la temperatura effettiva della Terra per diversi albedo.
Procedimento
- In PhET Greenhouse Effect, aggiungi e togli nubi e gas serra e osserva la temperatura.
- In un foglio di calcolo, usa S = 1360 W/m² (NASA).
- Calcola T_e per albedo 0.25, 0.29 e 0.35.
- Spiega perché T_e è inferiore alla media superficiale di 15 °C della NASA.
Tabella dei dati
| Albedo | T_e (K) |
|---|---|
| 0.25 | 259.0 |
| 0.29 | 255.4 |
| 0.35 | 249.9 |
Valori calcolati.
Calcolo di esempio
- (1360 × 0.71/(4σ))^¼ = 255.4 K.
- 255.4 − 273.15 = −17.7 °C.
Sicurezza
- Solo computer.
Alternativa a casa o virtuale
- Funziona in un browser web.
Legame con il pianeta: NASA: circa il 29% della luce solare viene riflesso e la Terra assorbe circa 240 W/m². NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget
Serie di esercizi per gli esami
Cronometrati: circa 10 minuti per problema. Poi confronta con le soluzioni complete.
Esercizi di preparazione all’esame intermedio (unità 1–5)
Convezione da 3 m² con h = 15 W/(m²·K), ΔT = 20 K?
Mostra la soluzione completa
- 15 × 3 × 20.
Risposta: 900 W.
Flusso termico attraverso 0.15 m di isolante (k = 0.04) più 0.3079 m²·K/W di altri strati con ΔT = 20 K?
Mostra la soluzione completa
- R″ = 0.3079 + 3.75 = 4.058.
- 20/4.058.
Risposta: 4.93 W/m².
Raggio critico per k = 0.1 e h = 10?
Mostra la soluzione completa
- k/h.
Risposta: 10 mm.
τ per una sfera di alluminio da 20 mm, h = 50?
Mostra la soluzione completa
- 2700 × 900 × (0.02/6)/50.
Risposta: 162 s.
Re per aria a 2 m/s su 0.5 m?
Mostra la soluzione completa
- 2 × 0.5/1.5 × 10⁻⁵.
Risposta: 66,667.
Serie finale di esercizi (unità 1–10)
LMTD per ΔT₁ = 60 K e ΔT₂ = 20 K?
Mostra la soluzione completa
- 40/ln 3.
Risposta: 36.4 K.
ε per NTU = 1, C_r = 0?
Mostra la soluzione completa
- 1 − e⁻¹.
Risposta: 0.632.
Ra per la lastra dell’unità 7 con L = 0.6 m?
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- 7.52 × 10⁷ × 8.
Risposta: 6.02 × 10⁸.
Lunghezza d’onda di picco a 1000 K?
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- 2898/1000.
Risposta: 2.90 µm.
Lastre parallele a 500 K e 300 K, entrambe ε = 0.9?
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- σ(500⁴ − 300⁴)/(2/0.9 − 1).
Risposta: 2524 W/m².
COP di riscaldamento di Carnot, mandata a 318 K, 268 K all’esterno?
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- 318/50.
Risposta: 6.36.
Formulario
Costanti
| Costante | Valore |
|---|---|
| Costante di Stefan–Boltzmann | σ = 5.670374419 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴) |
| Costante di Wien (valore da manuale) | 2898 µm·K |
| Gravità standard | g = 9.80665 m/s² |
| Aria vicino a 300 K (valori da manuale) | k = 0.026 W/(m·K), ν = 1.5 × 10⁻⁵ m²/s, Pr = 0.71 |
| Alluminio (valori da manuale) | k = 237 W/(m·K), ρ = 2700 kg/m³, c = 900 J/(kg·K) |
| Superficie della Terra (valore da manuale) | 5.1 × 10¹⁴ m² |
Testi e simulazioni gratuiti
Usa questi testi, lezioni e simulazioni gratuiti insieme al corso.
- J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (free online edition): Manuale completo e gratuito di trasmissione del calore.
- MIT OpenCourseWare 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer (Fall 2008): Lezioni ed esercizi gratuiti del MIT.
- NASA Earth Observatory: Climate and Earth’s Energy Budget: Spiegazione gratuita della NASA.
- PhET: Energy Forms and Changes: Il flusso di calore in modo interattivo.
- PhET: Blackbody Spectrum: Irraggiamento termico.
- PhET: Greenhouse Effect: Bilancio radiativo.
Glossario
- Albedo
- Frazione della luce solare riflessa.
- Numero di Biot
- Resistenza termica interna su esterna.
- Corpo nero
- Assorbitore ed emettitore perfetto.
- Strato limite
- Sottile regione di flusso vicino alla parete.
- COP
- Calore spostato per unità di lavoro.
- Raggio critico
- Raggio di massima dispersione di un cilindro isolato.
- Efficacia
- Calore reale su calore massimo dello scambiatore.
- Emissività
- Emissione relativa a un corpo nero.
- Squilibrio energetico
- Energia planetaria assorbita meno emessa.
- Efficienza dell’aletta
- Calore reale su calore ideale dell’aletta.
- Legge di Fourier
- Legge della potenza conduttiva.
- Scambiatore di calore
- Dispositivo che sposta calore tra fluidi.
- LMTD
- Differenza di temperatura media logaritmica.
- Capacità concentrata
- Modello transitorio a temperatura uniforme.
- Numero di Nusselt
- Coefficiente di convezione adimensionale.
- Numero di Prandtl
- Diffusività della quantità di moto su diffusività termica.
- Schermo di radiazione
- Barriera a bassa emissività.
- Numero di Rayleigh
- Intensità del flusso di galleggiamento.
- Resistenza termica
- Differenza di temperatura per flusso di calore.
- Fattore di vista
- Frazione di radiazione intercettata da una superficie.
Griglia di autovalutazione
Non si assegnano voti né crediti. Usala per valutare onestamente a che punto sei in ogni unità.
| Livello | Come si presenta |
|---|---|
| 4 · Padronanza | Disegna il sistema e la rete di resistenze, controlla i numeri adimensionali prima di scegliere una correlazione, usa i kelvin per l’irraggiamento e spiega i risultati in parole semplici. |
| 3 · Competente | Risolve le serie di esercizi e d’esame con piccoli errori e controlla le unità. |
| 2 · In sviluppo | Segue gli esempi svolti ma confonde la k del solido e del fluido, o usa °C in σT⁴. |
| 1 · Principiante | Inserisce numeri nelle formule senza schizzo né bilancio energetico; deve rivedere l’unità. |
Pesi suggeriti se vuoi un punteggio
| Parte | Peso |
|---|---|
| Esercizi | 20% |
| Laboratori | 25% |
| Serie di esercizi di metà corso | 25% |
| Serie di esercizi finale | 30% |
Punta al livello 3 o superiore in ogni unità prima di passare al corso successivo.



