73498 - TERMODINAMICA PER L'INGEGNERIA CHIMICA M

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire le conoscenze e le metodologie specialistiche della termodinamica generale e della termodinamica chimica, volte all'analisi termodinamica dei processi, alla valutazione anche previsionale delle proprietà termodinamiche di sostanze pure, di miscele, degli equilibri chimici e di fase.

Contenuti

Conoscenze in ingresso: termodinamica delle sostanze pure, delle miscele e delle reazioni chimiche (primo livello). Analisi I e II, Fisica I, Analisi Numerica.  

Cos'è la termodinamica, e cosa sta diventando: approcci macroscopici e molecolari. Introduzione alla meccanica statistica. Dinamica molecolare. Modelli per il potenziale binario. 
Richiami alle grandezze termodinamiche (energia interna, entropia, energia libera) e alla loro stima mediante tabelle e diagrammi. Richiami al primo principio della termodinamica ed al bilancio di energia.
Metodi per la descrizione delle sostanze reali:
Equazione del Viriale. Determinazione dei parametri da considerazioni molecolari.
Equazione di van der Waals: derivazione, parametri e uso.
Principio degli stati corrispondenti e correlazioni generalizzate a due e tre parametri, fattore acentrico, metodo di Lee-Kessler. Introduzione alle equazioni di stato per il calcolo delle grandezze termodinamiche nel caso di composti puri. Espressioni per lo scostamento da gas perfetto a T, p e a T, V costanti.
Equazioni cubiche ingegneristiche: RKS e PR e calcolo di proprietà di stato. Uso delle equazioni di stato per la risoluzione di problemi. Metodo esplicito per il calcolo delle soluzioni. Uso delle equazioni cubiche in problemi con soluzione iterativa: temperatura di uscita da un compressore isoentropico.
Cenni alle equazioni stato non cubiche: tipo lattice fluid (LF) e a catene di sfere rigide (SAFT). Metodi perturbativi.
Metodi ai contributi di gruppo, ed esempi di applicazione per la stima di parametri dei composti puri. Metodo di Joback e di Constantinou e Gani.
Soluzione di esercizi con equazioni di stato e correlazioni generalizzate. 
Secondo principio della termodinamica; equazioni di Maxwell. Applicazione del secondo principio al calcolo del lavoro massimo e minimo ed all'analisi termodinamica dei processi, ai cicli di potenza e frigoriferi e alle macchine.
Efficienza energetica dei processi: entropia generata come misura generale di efficienza energetica di un processo: applicazione allo scambio termico, relazione tra entropia generata e lavoro perso. 
Produzione di energia: Cicli di potenza ad elevata efficienza e con uso di fonti rinnovabili: cicli rigenerativi, con risurriscaldamento, ciclo OTEC, cicli geotermici. Scelta del fluido di lavoro ottimale sulla base di considerazioni energetiche ed ambientali 
Raffreddamento e condizionamento, condensazione e criogenia: Cicli frigoriferi a compressione di vapore semplici e in cascata, pompe di calore. Cicli ad assorbimento. Efficienza energetica: considerazioni.
Cicli criogenici: ciclo semplice, di Linde e di Claude e confronto con cicli frigoriferi a compressione di vapore.  
Equilibrio LV e sua stabilità: stati metastabili, stabili e instabili determinati con una equazione cubica. La fugacità come criterio di stabilità dell'equilibrio.

La teoria delle miscele.
Generalità: Equazione di Gibbs-Duhem. Richiami alla fenomenologia del comportamento di miscele. Grandezze parziali molari, regola dell'intercetta. Grandezze di mescolamento e calcolo delle grandezze parziali molari da dati sperimentali. Espansioni di Redlich-Kister . Scrittura del bilancio di energia per sistemi non ideali ed esempi di applicazione. 
Richiami sulla descrizione del comportamento delle miscele, miscele ideali e non. Fugacità di composti in miscela. Coefficiente di fugacità. Attività nei vari riferimenti, coefficiente di attività e sua variazione con temperatura e pressione.
Modelli ai coefficienti di attività matematici e fisici: Van Laar e sua derivazione rigorosa dall'equazione di Van der Waals. Uso di Van Laar in modalità correlativa. Modello di Margules a uno, due e tre parametri. Modello di Hildebrand e Scatchard e parametro di solubilità. Modello di Wilsone NRTL. Modello di Flory-Huggins, modelli UNIQUAC e UNIFAC. Esercizi con uso di modelli in modalità previsionale e correlativa.
Equilibri LV di miscele: Legge di Raoult generalizzata. Calcolo di punti di bolla e di rugiada: procedura iterativa con uso di modelli. Condizioni azeotropiche. Applicazione alla distillazione. 
Consistenza termodinamica e sua verifica con metodo integrale da dati di equilibrio LV: procedura numerica.
Equilibri LL di miscele : stabilità di una miscela, lacuna di miscibilità e sua determinazione.
Determinazione dei parametri dei modelli ai coefficienti di attività con metodo numerico da dati sperimentali di equilibrio LV e LL a bassa pressione. Soluzione di esercizi di equilibrio LV e LL in via previsionale con modelli.
Altri equilibri di fase:
Equilbrio LLV. Azeotropi omogenei ed eterogenei.
Solubilità di gas in liquidi: legge di Henry.
Equilibrio Osmotico. Pressione osmotica e applicazione all'osmosi inversa. 
Equilibri LV di miscele ad alte pressioni: fenomenologia e modellazione con equazioni di stato. Regole di mescolamento di van der Waals e di Wong-Sandler. 
Equilibri chimici.
Costante di equilibrio e suo utilizzo per il calcolo del gradi di avanzamento di una reazione in sistemi ideali e non. Variazione dell'equilibrio con la temperatura e la pressione. Bilancio di energia per un sistema reagente. 
Reazioni adiabatiche e calcolo della temperatura adiabatica di reazione. 
Reazioni simultanee: calcolo del numero di reazioni indipendenti e determinazione della composizione di equilibrio.
Reazioni eterogenee: decomposizione dei solidi e ossidazione dei metalli. 
Equilibrio simultaneo chimico e fisico.

Testi/Bibliografia

Letture essenziali:

-Slides di "allineamento" da leggere prima dell'inizio del corso per richiamare i principali concetti della Termodinamica di Livello triennale. Disponibili su virtuale.unibo.it. 

-Slides fornite dal docente e disponibili su virtuale.unibo.it sui contenuti specifici del corso. Da leggere durante il corso.

-Esercizi risolti forniti su virtuale.unibo.it. Da leggere durante il corso

Letture di approfondimento 

Generali
1) S. I. Sandler, "Chemical and Engineering Thermodynamics " Third Edition, Wiley and Sons (1999)

2) J. M. Smith, H. C. Van Ness, Michael M. Abbott - Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics: Chemical Engineering Thermodynamics (7th Edition) McGraw-Hill Education, 2005.

Su equilibri di fase
J. M. Prausnitz, R. N. Lichtenthaler, E. G. de Azevedo, Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria 3rd Edition Prentice Hall New Jersey 1999

Su modelli termodinamici e correlazioni per la stima delle proprietà di fluidi e miscele

R. C. Reid, J. M. Prausnitz, and B. E. Poling, The Properties of Gases and Liquids", McGraw-Hill, New York.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula, slides, esempi d'esame risolti con procedura numerica, video, questionari di autovalutazione.
Alcune esercitazioni si svolgeranno in Laboratorio di Calcolo e si illustrerà la risoluzione di esercizi d'esame tramite uso di Fogli Excel 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Nell'a.a. 2020-21 l'esame si svolgerà ONLINE per tutte le categorie di studenti

Piattaforme:
-ZOOM (per sorveglianza)
-EOL (per svolgimento esame e consegna elaborati)

VOTO
E' la media del voto conseguito in
-prova teorica (quiz a risposta multipla) 
-prova pratica (esercizi da risolvere con l'ausilio di fogli di calcolo)

E' prevista una soglia minima in entrambe le prove per superare l'esame

DESCRIZIONE ESAME ONLINE

Le due prove si svolgono in sequenza (1:teorica; 2: pratica) nell'arco della stessa giornata.
Il voto della prova teorica viene calcolato immediatamente e, se lo studente non supera la soglia minima, non ha accesso alla parte pratica.

DOTAZIONE RICHIESTA:

• Computer (per EOL) e webcam (per ZOOM). Se la webcam è fissa ci si deve dotare di un altro dispositivo (anche uno smartphone o un tablet) che si connetta a ZOOM e consenta di inquadrare diverse angolazioni (scrivania, stanza) dietro richiesta del docente o dei suoi collaboratori.
• Connessione internet stabile (se le normative lo consentiranno gli studenti potranno svolgere l'esame in aula fino a riempimento dei posti disponibili)
• Software per scansione immagini (per scannerizzare gli esercizi scritti) ad esempio Office Lens, Camscanner
• Software per convertire immagini in .pdf 
• Software per creare un unico .pdf ad esempio https://www.ilovepdf.com/it/unire_pdf

Prova teorica

La prova teorica consiste nella risposta a domande su aspetti di teoria a risposta multipla. Per risposte sbagliate è previsto un punteggio negativo. Per risposte non date il punteggio è zero. La durata della prova è inferiore a 1 h.

Prova pratica

La prova pratica consiste nella risoluzione di 2-3 esercizi nell'arco di 2-3 ore circa.

Si può usare una calcolatrice scientifica e/o un computer portatile.

Si possono usare fogli di calcolo autonomamente preparati usando un software a piacere (Excel, Matlab, Mathematica etc.), e gli algoritmi risolutivi illustrati a lezione e nelle esercitazioni.

Si possono consultare le tabelle fornite espressamente per l'esame e caricate su virtuale.unibo.it. Se si usano tabelle diverse, va specificato nell'elaborato.

Non si possono consultare testi, dispense, video tutorials, tabelle diverse da quelle fornite, nè in modalità digitale nè cartacea.

Non si può comunicare in qualsiasi forma con altri studenti o con l'esterno, durante tutta la prova.

Attribuzione lode

La lode viene attribuita allo studente che abbia ottenuto un punteggio superiore al 30/30 in seguito alla valutazione complessiva di prova teorica e pratica.

Date appelli e ripetizione delle prove/rifiuto del voto

Sono previsti almeno 6 appelli annuali, di cui almeno tre nella sessione invernale, uno nella sessione autunnale e due nella sessione estiva.

1) Non sono previsti appelli straordinari al di fuori delle sessioni d’esame
2) entro 5 gg dalla data di pubblicazione dell'esito dell'esame si deve decidere se verbalizzare il voto conseguito, o rifiutare e ripetere la prova (si può rifiutare il voto una sola volta)
3) in caso di rifiuto, si deve ripetere tutta la prova (sia parte teorica che pratica)
4) al secondo superamento dell'esame, il voto viene verbalizzato automaticamente e l'esame non può essere sostenuto ulteriormente.

Strumenti a supporto della didattica

Lezioni alla lavagna e al proiettore, slides, esercizi, video, questionari.

Slides disponibili su virtuale.unibo.it.

Tabelle di dati disponibili su virtuale.unibo.it.

Esercizi d'esame risolti su virtuale.unibo.it.

Esercitazioni in laboratorio di calcolo.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maria Grazia De Angelis