29901 - TERMODINAMICA DELL'INGEGNERIA CHIMICA E BIOCHIMICA T

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire le conoscenze della termodinamica generale, dell'analisi termodinamica dei principali cicli di trasformazione e dei processi, fornire gli elementi fondamentali per la valutazione delle proprietà termodinamiche di sostanze pure, con particolare riferimento ai composti gassosi e liquidi. Fornire le conoscenze fondamentali della termodinamica delle miscele, e gli strumenti per la valutazione delle loro proprietà, degli equilibri di fase e degli equilibri chimici.

Contenuti

L'insegnamento costituisce il primo corso di studio della termodinamica dell'ingegneria chimica.  e fornisce gli elementi di base della termodinamica generale e la metodologia per la caratterizzazione di sistemi multifase e multicomponenti.

Obiettivo del corso è quello di acquisire principi e metodi della termodinamica dell'ingegneria chimica, di fornire gli elementi di base per la caratterizzazione di sistemi in equilibrio fisico e/o chimico e per il calcolo delle proprietà termodinamiche delle sostanze. Le competenze acquisite sono finalizzate alla soluzione di applicazioni di bilanci di materia ed energia per singole apparecchiature.

Argomenti principali.

1.      Aspetti introduttivi e richiami

Scopo della termodinamica. Definizioni di base e richiami: il “continuo”, variabili di processo, pressione, temperatura, calore e lavoro. Equilibrio. Principio zero.  Condizioni di funzionamento di apparati: sistemi chiusi, aperti, continui, discontinui, semicontinui. L'equazione di bilancio integrale di una proprietà estensiva. L'equazione di bilancio integrale di materia. Sistemi di unità di misura.

2.      Il primo principio della termodinamica

Energia interna. L'equazione di bilancio integrale di energia. Lavoro di pulsione. Entalpia. Lavoro di deformazione. Equazione dell'energia termica.

3.      Il secondo principio della termodinamica

Processi spontanei, reversibilità e dissipazione energetica. Entropia. L'equazione di bilancio integrale di entropia. Temperatura termodinamica. Formulazioni classiche di Kelvin e Clausius.  Macchine termiche; rendimento di un ciclo di potenza, coefficiente di effetto frigorifero, lavoro minimo, lavoro massimo,lavoro perso.

4.      Proprietà volumetriche e termodinamiche dei fluidi puri

Diagrammi (p,V,T) per sostanze pure. Relazioni fra proprietà: equazioni di Maxwell. Diagrammi  e tabelle termodinamiche. Coefficiente di Joule-Thompson. La pressione di vapore. Il calore molare del gas ideale e calori latenti di transizione di fase. Calcolo di variazioni di entalpia per sostanze pure: scelta dello stato di riferimento. Reperibilità dei dati.

5.      Applicazioni di bilancio di materia ed energia per sistemi monocomponente.

Riempimento e svuotamento di bombole. Lavoro di compressione. Rendimento di macchine motrici ed operatrici. Refrigerazione, liquefazione, cicli di potenza. Soluzione di problemi di scambio termico e applicazioni alla soluzione di semplici problemi dell'ingegneria di processo

6.      Termodinamica delle miscele.

Grandezze molari parziali. Equazioni di Maxwell generalizzate. Potenziali chimici, fugacità, attività e coefficienti di attività di composti in miscela: definizioni, relazioni e proprietà. Riferimento di Raoult. Riferimento di Henry.

Miscele ideali e miscele non ideali. Grandezze di mescolamento. Grandezze di eccedenza; modelli per il calcolo di GE: cenni e breve discussione sui modelli più semplici e di maggior uso (Margules, Van Laar, Wilson e NRTL).

7.      Equilibrio.

Criteri di equilibrio. Condizioni di equilibrio fra fasi.  L'equazione di Clausius-Clapeyron.

8.      Equilibrio liquido-vapore.

Relazione generale di Raoult, relazione semplificata e legge di Raoult per sistemi ideali; fattore di Poynting. Diagrammi di equilibrio L-V per sistemi binari a pressione e a temperatura costante per sistemi ideali e con deviazioni dall'idealità; applicazione della regola della leva. Volatilità relativa. Azeotropi.

Calcolo delle condizioni di equilibrio L-V per sistemi binari, ideali e con deviazioni dall'idealità; discussione degli algoritmi risolutivi. Applicazioni ad evaporatori e a condensatori di equilibrio con bilanci di materia ed energia. Effetto della presenza di composti incondensabili sulle condizioni di rugiada.

Impostazione generale di un problema di equilibrio fra fasi.

9.      Equilibri liquido-liquido e liquido-liquido-vapore.

Diagrammi binari di equilibrio L-L; lacuna di miscibilità, temperatura consoluta.

Diagrammi di equilibrio L-L-V; azeotropi eterogenei. Sistemi con immiscibilità totale. Calcolo delle condizioni di equilibrio per sistemi multicomponenti acqua-idrocarburi. Effetto di composti incondensabili.

10.  Sistemi gas-liquido: applicazioni della legge di Henry e convenzione asimmetrica.

11.  Equilibri chimici.

Richiami di termochimica. Condizione di equilibrio chimico. La costante di equilibrio di una reazione: definizione e variazione con la temperatura. Discussione di varie procedure di calcolo in relazione alla disponibilità dei dati ed alle approssimazioni introdotte. Effetto della pressione, degli inerti e della composizione di alimentazione sulla posizione dell'equilibrio.

Calcolo di condizioni di equilibrio chimico per sistemi costituiti da miscele di gas ideali. Applicazioni di bilanci di materia ed energia a reattori isotermi ed adiabatici.

12.  Equilibri simultanei.

Regola delle fasi di Gibbs. Equilibri chimici in sistemi eterogenei: pressione di decomposizione di solidi.

13.  Analisi termodinamica dei processi (cenni)

Testi/Bibliografia

1.   S.Sandler, Chemical, Biochemical and Engineering Thermodynamics, 4a ed, J Wiley & Sons, 2006      
2.   J. M. Smith, H.C.Van Ness, M.M. Abbot, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5a ed., Mc Graw Hill, 1996
3.    S.Sandler, Chemical Engineering Thermodynamics, 3a ed, J Wiley & Sons, 1999
4.   M.W. Zemansky, M.M. Abbot, H.C.Van Ness, Fondamenti di termodinamica per ingegneri, Zanichelli, 1979
5. R.C. Reid, J.M. Prausnitz, B.E. Poling, The properties of gases and liquids, 4a ed. Mc Graw Hill, 1988
6. K. Denbigh, I principi dell'equilibrio chimico, Casa Editrice Ambrosiana, 1977.
7.  Appunti del docente.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula.

E' prevista una serie di esercitazioni facoltative presso il Laboratorio di informatica del DICAM (LADI), per apprendere le basi di metodi di soluzione numerica di alcuni problemi tipici della disciplina.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame : l'esame consta in una prova scritta (suddivisa in due parti) ed in una prova orale.

Il superamento della prova scritta consente l'accesso alla prova orale.

Prova scritta - prima parte : è richiesta la soluzione numerica di problemi inerenti alla caratterizzazione termodinamica di sistemi monocomponenti (sostanze pure in multifase), comprensivi di bilancio di energia per singole apparecchiature.

Prova scritta - seconda parte: è richiesta la soluzione numerica di problemi inerenti alla caratterizzazione termodinamica di sistemi multicomponente in condizioni di equilibrio fisico (L-V) e/o equilibrio chimico), comprensivi di bilancio di energia per singole apparecchiature.

Per entrambe le parti può essere richiesto il reperimento dei dati necessari alla soluzione sui testi e manuali di maggior uso nel settore dell'ingegneria chimica; in tal caso, ovviamente, è consentita la consultazione di libri ed appunti.

Punteggio massimo assegnato per ciascuna parte: 32/30.

Punteggio minimo necessario per il superamento di ciascuna parte: 18/30.

Obblighi e facilitazioni

Prova scritta . Lo studente può scegliere di sostenere le due parti in appelli diversi. Il completamento della prova scritta deve avvenire entro il secondo appello successivo a quello in cui è stato conseguito il risultato positivo di una delle due parti.

Prova orale . L'esame deve essere concluso entro il medesimo periodo in cui è stata ottenuta valutazione positiva nella prova scritta completa.

 Il regolamento di esame è riportato anche in maniera dettagliata negli appunti del docente.

Propedeuticità consigliate: Laboratorio di ingegneria di processo T; Fisica generale T-1

Strumenti a supporto della didattica

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini