Ingegneria Termica

La soluzione di un particolare problema di ingegneria termica può coinvolgere una o più delle seguenti discipline:

Termodinamica

La conoscenza della termodinamica è essenziale per gli ingegneri nucleari, che si occupano di reattori nucleari. La termodinamica è la scienza che si occupa della produzione, dello stoccaggio, del trasferimento e della conversione dell’energia. Studia gli effetti del lavoro, del calore e dell’energia su un sistema. La termodinamica è sia un ramo della fisica che una scienza ingegneristica. Il fisico è normalmente interessato a ottenere una comprensione fondamentale del comportamento fisico e chimico di quantità fisse di materia a riposo e utilizza le leggi della termodinamica per relazionare le proprietà della materia. Gli ingegneri sono generalmente interessati a studiare sistemi energetici e come interagiscono con l’ambiente circostante. Il nostro obiettivo qui sarà quello di introdurre la termodinamica come scienza della conversione dell’energia, presentare alcuni dei concetti fondamentali e delle definizioni utilizzate nello studio della termodinamica ingegneristica. Questi concetti e definizioni fondamentali saranno poi applicati ai sistemi energetici e infine alle centrali termiche o nucleari.

Meccanica dei Fluidi

La meccanica dei fluidi è il ramo dell’ingegneria termica che si occupa della meccanica dei fluidi (liquidi, gas e plasmi) e delle forze su di essi. Si può dividere in statica dei fluidi, lo studio dei fluidi a riposo; e dinamica dei fluidi. La dinamica dei fluidi è una sottodisciplina della meccanica dei fluidi che si occupa del flusso dei fluidi. La dinamica dei fluidi è una delle aree più importanti di tutta la fisica. La vita come la conosciamo non esisterebbe senza i fluidi e senza il comportamento che questi esibiscono. L’aria che respiriamo e l’acqua che beviamo (che costituisce la maggior parte della nostra massa corporea) sono fluidi. La dinamica dei fluidi ha un’ampia gamma di applicazioni, inclusi il calcolo delle forze e dei momenti sugli aerei (aerodinamica), la determinazione della portata massica dell’acqua attraverso i tubi (idrodinamica).

Dinamica dei fluidi è una parte importante della maggior parte dei processi industriali; specialmente quelli che coinvolgono il
trasferimento di calore. In reattori nucleari la rimozione del calore dal cuore del reattore è realizzata facendo passare un refrigerante liquido o gassoso attraverso il cuore e attraverso altre regioni dove si genera calore. La natura e il funzionamento del sistema di raffreddamento sono una delle considerazioni più importanti nella progettazione di un reattore nucleare.

Trasferimento di Calore e di Massa

Il trasferimento di calore è una disciplina ingegneristica che si occupa della generazione, dell’uso, della conversione e dello scambio di calore (energia termica) tra sistemi fisici. Nell’ingegneria energetica, determina i parametri chiave e i materiali degli scambiatori di calore. Il trasferimento di calore è solitamente classificato in vari meccanismi, come:

• Conduzione del Calore. La conduzione del calore, anche chiamata diffusione, avviene all’interno di un corpo o tra due corpi a contatto. È lo scambio microscopico diretto dell’energia cinetica delle particelle attraverso il confine tra due sistemi. Quando un oggetto è a una temperatura diversa da un altro corpo o dal suo ambiente
• Convezione del Calore. La convezione del calore dipende dal movimento di massa da una regione dello spazio all’altra. La convezione del calore si verifica quando il flusso massivo di un fluido (gas o liquido) trasporta il calore insieme al flusso di materia nel fluido.
• Radiation termica. La radiazione è il trasferimento di calore tramite radiazione elettromagnetica, come la luce solare, senza la necessità che la materia sia presente nello spazio tra i corpi.

In ingegneria, il termine trasferimento di calore convettivo è usato per descrivere gli effetti combinati di conduzione e flusso del fluido. A questo punto, dobbiamo aggiungere un nuovo meccanismo, noto come avvezione (il trasporto di una sostanza mediante movimento di massa). Dal punto di vista termodinamico, il calore fluisce in un fluido per diffusione per aumentarne l’energia, il fluido poi trasferisce (advezione) questa energia interna aumentata (non il calore) da una posizione all’altra, e ciò è seguito da una seconda interazione termica che trasferisce calore a un secondo corpo o sistema, di nuovo per diffusione.