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Oggetto:
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Onde, fluidi e termodinamica A

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Waves, fluids and thermodinamics A

Oggetto:

Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN0534
Docenti
Prof. Elena Botta (Titolare del corso)
Prof. Francesca De Mori (Esercitatore)
Corso di studio
008703 Laurea in Fisica
Anno
1° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
A=Di base
Crediti/Valenza
8
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Meccanica classica, argomenti del corso del primo anno tenuto nel semestre precedente

Classical mechanics, topics of the course of the first semester of the first year
Propedeutico a
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Il corso intende fornire una conoscenza approfondita dei principi della termodinamica, della fisica dei fluidi incomprimibili e delle onde oltre ad una capacità di apprendimento adeguata ad affrontare nuovi argomenti attraverso un impegno autonomo ed ad intraprendere lo studio avanzato dei vari settori della fisica. Lo studente deve conseguire una certa padronanza degli argomenti trattati nel corso, che si manifesta sia attraverso l'esposizione analitica (dimostrazioni) e sintetica della materia, sia attraverso la capacita` di affrontare e risolvere problemi numerici specifici

The course aims at giving a deep knowledge of the principles of Thermodynamics, incompressible fluids and wave phenomena. It also aims at the achievement of a learning ability suited to deal autonomously with new subjects and to undertake advanced study of the different branches of Physics. The student is required to obtain a good competence in the areas that are treated  during lessons, which has to be demonstrated both through analytical and synthetical exposition of concepts and through the ability of solving specific numerical problems.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Lo studente sarà in grado di comprendere gli elementi fondamentali dei sistemi a molte particelle, il legame tra la meccanica del punto con la termodinamica e la dinamica dei fluidi. Acquisirà inoltre le conoscenze di base del moto per onde. Lo studente acquisira' la capacità di esporre gli argomenti trattati durante il corso.

The student will be able to understand the fundamental elements of many body systems, the link between particle mechanics, thermodynamics and fluid dynamics. The student will also obtain the base knowledge of wave phenomena. The student will be able to discuss all the topics dealt with during the classes.

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Programma

Onde

Proprietà elastiche dei solidi. Propagazione di una perturbazione lungo una sbarra di materiale elastico. Corda vibrante. Equazione di d'Alembert delle onde. Principio di sovrapposizione.  Onde trasverse e longitudinali. Onde sonore. Onde armoniche. Onde stazionarie. Velocità di gruppo. Effetto Doppler. Onde coerenti, interferenza in 1 e 2 dimensioni; onde sonore risonanti in corde e tubi. Riflessione e trasmissione di onde in mezzi non omogenei.

Fluidi

Definizione di fluido. Fluidi compressibili e incompressibili. Idrostatica. Legge di Pascal: pressa idraulica. Legge di Stevino. Principio di Archimede. Idrodinamica dei fluidi ideali. Teorema di Bernoulli ed applicazioni. La portata di un condotto. Tubo di Venturi. Teorema di Torricelli. Tubo di Pitot. Effetto Magnus. Sostentamento dell'ala di un aereo. Idrodinamica dei fluidi reali. Regime laminare. Viscosità. Legge di Hagen-Poiseuille. Regime turbolento. Perdita di carico in un condotto. Numero di Reynolds. Moto di un corpo in un fluido. Resistenza dei fluidi al moto di corpi immersi.

 

Termodinamica

Sistema termodinamico: descrizione macroscopica e microscopica. Definizione di pressione in un fluido.  Principio zero della termodinamica; dilatazione termica e misura della temperatura. Termometri e scale termometriche. Concetto di gas perfetto ed equazione di stato. Concetto di gas idealee la teoria cinetica dei gas. Gas reali, legge di Van der Waals, diagrammi di stato. Calore, cambiamenti di stato, calore specifico e latente. Trasmissione del calore. Lavoro e trasformazioni termodinamiche.  I Principio della Termodinamica e sue applicazioni. I Principio e le trasformazioni di gas perfetti. Macchine termiche e frigorifere; cicli di Carnot, Otto. Diesel, Stirling. Rendimento delle macchine termiche. Postulati di Kelvin e Clausius. II Principio della Termodinamica.  Trasformazioni reversibili ed irreversibili e principio di Carnot. Concetto di Entropia ed il II Principio. Entropia e probabilità. Cenni ai Potenziali termodinamici e al III Principio della Termodinamica. 

Waves

Elastic properties of solids. Propagation of elastic perturbations along a solid rod.  Vibrating strings. D'Alembert wave equation. Superposition principle. Transverse and longitudinal waves. Sound waves. Harmonic waves. Standing waves in strings and pipes. Group velocity. Doppler effect. Coherent waves, 1- and 2- dimensional interference. Wave reflection and transmission in non homogeneous media.

Fluids

Definition of a fluid. Compressible and incompressible fluids. Hydrostatics. Pascal's law: hydraulic press. Stevin's law. Archimedes' principle. Hydrodynamic of ideal fluids. Bernoulli's theorem and its applications. Flow rate in a pipe. Venturi tube. Torricelli's theorem. Pitot tube. Magnus effect. Aerodynamic lift. Real fluids hydrodynamics. Laminar flow. Viscosity. Hagen-Poiseuille law. Turbulent flow. Pressure drop along a pipe. Motion of a body in a fluid. Drag forces.

 

Thermodynamics

Thermodynamic systems; macroscopic and microscopic descriptions.  Pressure in a fluid: definition. Zeroth law of thermodynamics; thermal expansion and temperature measurements. Thermometers and temperature scales. Concept of perfect gas and equation of state. Real gases, Van der Waals' law, phase diagrams. Heat, phase transitions, specific and latent heats. Heat transfer. Work and thermodynamic processes. The first law of thermodynamics and its applications. Ideal gas transformations and the first law of thermodynamics. Heat engines and heat pumps; Carnot and Otto cycles. Efficiency of heat engines.  Kelvin and Clausius statements of the second law of thermodynamics. Reversible and irreversible processes; Carnot's theorem. Concept of entropy and the second law. Hints on Entropy and probability, Thermodynamic potentials and Third law of thermodynamics.  

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Modalità di insegnamento

Lezioni frontali ed esercitazioni in presenza.

Frontal lessons and class exercises.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

In presenza. Agli studenti e alle studentesse che rientrino in una delle condizioni di seguito riportate, autocertificate nella fase di prenotazione all’appello:

  1. situazione di fragilità
  2. positività al COVID-19

è garantita la possibilità di svolgere l’esame a distanza, secondo una delle modalità previste dall’Ateneo, avuto anche riguardo alle specifiche esigenze degli studenti e delle studentesse con disabilità e con disturbi specifici dell’apprendimento.

Esame scritto ed orale:

[1] Scritto (uguale per corso A e B) composto da esercizi di livello simile a quelli proposti durante il corso (comuni ai corsi A e B). Durata della prova: 2 ore.
[2] La prova scritta deve essere sufficiente per accedere all'orale.
[3] La prenotazione allo scritto e all’orale e' NECESSARIA. Per ragioni di migliore organizzazione, si prega di annullare la prenotazione se si decide di non sostenere l’esame.
[3] Orale sostenuto su tutti gli argomenti del corso.
[4] Entrambe le prove (orale e scritto) devono essere sufficienti.
[5] Scritto valido all’interno della sessione in cui viene superato. L’appello di settembre è considerato parte della sessione estiva.
[6] Si può ripetere lo scritto nella stessa sessione. Si annulla il voto precedente nel momento in cui si consegna il compito.
[7] In caso di esito negativo dell’orale è necessario ripetere lo scritto.
[8] In caso di esito positivo dell’orale, ma di rifiuto del voto proposto, si deve ripetere lo scritto.
[9] Durante lo scritto e' consentito l'uso del formulario da scaricare dal sito del corso (non modificabile) e copia del libro di testo consultabile alla cattedra (fornito dai docenti).
[10] Per lo svolgimento degli esercizi scritti può essere utilizzata una calcolatrice scientifica (NON quella del cellulare).
 

La prova orale verte in generale su due argomenti, uno di termodinamica e l'altro sulla restante parte del programma.

Written and Oral examination

In presence. For students fulfilling one of the conditions listed below, self-declared at exam booking time:

  1. situations of fragility
  2. found positive for COVID-19

possibility is guaranteed to have online exam, following indications provided by UniTo, also taking into account specific needs of students with disabilities and specific learning disorders.

Instructions

Written test (same for A and B channels) composed of ?? esercises of level similar to what proposed during lectures, to be solved in 2 hours.

  1. Written exam (same for A and B courses) consisting of exercises of similar level to those proposed in exercise lectures. Exam duration: 2 hours
  2. Written test ishould be passed to go for oral exam.
  3. Subscribe to both written and oral tests is REQUIRED; for organizational reasons, please, unsubscribe if you plan to not take the exam.
  4. The oral test will cover all arguments of the full course.
  5. Positive grades have to be obtained in both written and oral tests.
  6. The written test is valid for the exam session in which it is taken. September examination is part of the summer exam session.
  7. It is possible to repeat the written test. The grade of the second test cancels out the previous one if it is completed (document delivered).
  8. Should the written exam fail, it is usually needed to retake.
  9. If the oral exam is passed but the grade is not accepted, both written and oral tests have to be taken again
  10. It is possible to repeat once the oral test in the same exam session without repeating the written test; if repeated, see point 7
  11. During written test only the form dowloaded from the couse web page can be used (uneditable)
  12. Only scientific calculator can be used (not the one of the mobile phone)

Oral exam usually focuses on two topics, one from Thermodynamics and one from the remaining parts of the program.

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Attività di supporto

Tutoraggio

Tutoring

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Mazzoldi, Nigro & Voci: Fisica. Meccanica- Volume I (e II per alcuni argomenti di Onde), EdiSES;

D. Halliday, R. Resnick, K.S. Krane "Fisica 1" Casa Editrice Ambrosiana;

Serway & Jewett: Fisica per Scienze ed Ingegneria, EdiSES.

 

Per quanto concerne i libri di esercizi, oltre il libro di testo, possono essere usati i seguenti testi. 



Covarelli, Massaro "Esercizi di Fisica I" [Casa Editrice CLUT]


Villa, Uguzzoni "Esercizi di Fisica - Meccanica" [Casa Editrice Ambrosiana] 


Zani, Duò, Taroni "Esercizi di Fisica - Meccanica e Termodinamica" [EdiSES] 


Guidorzi, Zanzi "Problemi di Fisica Generale I" [Casa Editrice Ambrosiana] 


Mencuccini, Silvestrini "Esercizi di fisica. Meccanica e termodinamica." [Casa Editrice Ambrosiana]

Mazzoldi, Nigro & Voci: Fisica. Meccanica- Volume I (and II for some topics about waves), EdiSES;

D. Halliday, R. Resnick, K.S. Krane "Fisica 1" Casa Editrice Ambrosiana;

Serway & Jewett: Fisica per Scienze ed Ingegneria, EdiSES.

As exercise books, on top of the official text, the followings can be used:

Covarelli, Massaro "Esercizi di Fisica I" [Casa Editrice CLUT]


Villa, Uguzzoni "Esercizi di Fisica - Meccanica" [Casa Editrice Ambrosiana] 


Zani, Duò, Taroni "Esercizi di Fisica - Meccanica e Termodinamica" [EdiSES] 


Guidorzi, Zanzi "Problemi di Fisica Generale I" [Casa Editrice Ambrosiana] 


Mencuccini, Silvestrini "Esercizi di fisica. Meccanica e termodinamica." [Casa Editrice Ambrosiana]

 



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Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata.

No required propaedeutic courses. Attendance is not mandatory but strongly recommended.

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    Ultimo aggiornamento: 12/09/2022 13:02
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