33931 - CHIMICA DEI PROCESSI DI COMBUSTIONE M

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente acquisisce la conoscenza degli aspetti termodinamici e cinetici delle reazioni chimiche che avvengono nelle macchine a combustione interna e nei dispositivi di produzione dell'energia.

Programma/Contenuti

Il corso propone prima di tutto un approfondimento, rispetto alle conoscenze di chimica acquisite nella laurea triennale, dei concetti fondamentali di termodinamica e di cinetica chimica, al fine di comprendere gli schemi di reazione relativi ai meccanismi di combustione dei principali combustibili impiegati nei motori a combustione interna, meccanismi che vengono poi esaminati e discussi in dettaglio. Sono anche illustrati i meccanismi di formazione dei principali inquinanti ed i metodi oggi impiegati per minimizzarne il rilascio nell’ambiente, tenendo conto del combustibile impiegato e delle condizioni in cui avviene la combustione (motori a benzina o diesel). Si passa infine ad una trattazione della chimica dell’atmosfera al fine di comprendere l’effetto degli inquinanti sull’ambiente.

1. Richiami di Chimica di base. Richiami sulle configurazioni elettroniche dei principali elementi della Tavola Periodica e sulle loro proprietà. Richiami sulle principali caratteristiche dei diversi tipi di legame chimico. Spettri di assorbimento di atomi e molecole.

2. Termodinamica Chimica. Richiami di termochimica: entalpie standard di reazione, di formazione e di combustione. Richiami al secondo principio della termodinamica e all'energia libera di Gibbs. L'equilibrio chimico da un punto di vista termodinamico; espressioni della costante di equilibrio per i sistemi ideali e per quelli non ideali. Reazioni eterogenee. Richiami sull'effetto di temperatura e pressione sull'equilibrio chimico in fase gas. La f.e.m. di una pila e derivazione dell'equazione di Nernst per via termodinamica.

3. Cinetica Chimica. Richiami sui fondamenti della cinetica chimica. Meccanismi di reazione semplici e complessi. Molecolarità delle reazioni semplici ed ordine di reazione; il caso delle reazioni monomolecolari. Cinetica di alcuni tipi di reazioni complesse: reazioni parallele, convergenti, consecutive. L'approssimazione dello stato stazionario. Reazioni reversibili. Cinetica delle reazioni a catena ed a catena ramificata. L'ipotesi dell'equilibrio parziale. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione: la teoria delle collisioni molecolari e l'equazione di Arrhenius; il complesso attivato ed il fattore sterico. Altre espressioni k(T). Proprietà generali dei catalizzatori; catalisi omogenea e catalisi eterogenea. Catalisi eterogenea (gas-solido): cinetica dell'adsorbimento con (oppure senza) dissociazione delle molecole dei reagenti.

4. Combustione. Generalità sulle reazioni di combustione: combustibili e comburenti; il fenomeno dell'autoaccensione. Richiami a potere calorifico superiore ed inferiore ed alla temperatura adiabatica di fiamma. Le reazioni a catena ramificata e le condizioni di esplosività. Limiti di esplosione e meccanismi di combustione dell'idrogeno, del monossido di carbonio, del metano, degli idrocarburi, ecc. La formazione di ossidi di azoto nella combustione: il meccanismo termico e quello prompt. L'effetto della presenza di azoto nei combustibili. Cenni sulla formazione degli ossidi e di altri composti dello zolfo. Il particolato: sua struttura e pericolosità; cenni ai meccanismi di formazione.

5. Effetti della combustione sull'ambiente. La struttura dell'atmosfera. Il gradiente adiabatico secco nella troposfera e l'andamento di pressione e massa volumica con la quota. La stabilità e le condizioni di inversione termica. L'inquinamento a livello del suolo: lo smog fotochimico. La formazione di ozono, perossido di idrogeno, PAN ed acido nitrico. Le piogge acide e loro effetti sull'ambiente. Sistemi catalitici per la riduzione degli inquinanti: le ‘marmitte catalitiche' TWC ed i sistemi catalitici NSR; dispositivi SCR nei motori diesel. Filtri per particolato e loro rigenerazione. Sensori di gas: la ‘sonda lambda'. Sistemi per la riduzione del particolato nei gas di scarico dei motori diesel. L'effetto serra ed il riscaldamento planetario: il diossido di carbonio e gli altri gas responsabili dell'effetto serra. Caratteristiche dei combustibili, con particolare riferimento a quelli da fonti rinnovabili: energia e combustibili da biomasse. Metanolo ed etanolo, biodiesel, idrogeno: vantaggi, svantaggi e prospettive. Metodi di produzione e problematiche relative allo stoccaggio dell'idrogeno.

6. Chimica della stratosfera: lo strato di ozono. Assorbimento di radiazioni UV da parte di ossigeno ed ozono. Meccanismi di formazione e di scomparsa di quest'ultimo nella stratosfera ed effetti termici connessi. Processi catalitici nella distruzione dell'ozono: l'effetto dei CFC e di altri inquinanti. La formazione stagionale del ‘buco' dell'ozono sull'Antartide.

Testi/Bibliografia

I. Glassman - “Combustion”, Academic Press, III Ed., 1996.

S.R. Turns - “An introduction to combustion”, Mc Graw-Hill, II Ed., 2000.

C. Baird, M. Cann – “Environmental Chemistry”, 3rd Ed., W.H. Freeman & Co, 2005.

R.A. Michelin, A. Munari - “Fondamenti di Chimica”, III Ed., CEDAM, 2016.

Metodi didattici

Lezioni frontali

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame finale è orale e mira a verificare che lo studente sia in grado di:

- discutere, sulla base di dati disponibili, un qualunque schema di reazione sia dal punto di vista cinetico che termodinamico.

- comprendere i meccanismi di combustione dei principali combustibili per motori a combustione interna e di formazione dei principali inquinanti, con attenzione ai diversi metodi oggi impiegati per minimizzarne l’emissione nell’ambiente.

- descrivere gli effetti dei principali inquinanti sull’ambiente.

L'esame solitamente prevede una domanda per ciascuno dei seguenti tre blocchi di argomenti: 

- Termodinamica e cinetica chimica. 

- La combustione ed i principali meccanismi di combustione; i meccanismi di formazione degli inquinanti. 

- Effetto sull'ambiente degli inquinanti prodotti e metodi di riduzione di questi; la chimica dell'atmosfera.

Strumenti a supporto della didattica

Le lezioni frontali si avvarranno dell'utilizzo principalmente della lavagna luminosa. Copia dei più importanti lucidi mostrati a lezione insieme ad alcune note su argomenti specifici saranno messe a disposizione durante il Corso sul sito del Docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea Munari