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

Propedeuticità consigliate

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce i Fondamenti della Chimica generale e sa utilizzare i concetti base di bilancio di materia, per sistemi semplici e complessi, nonché le relative applicazioni per sistemi reagenti, acquisibili rispettivamente nei corsi di Fondamenti di Chimica T e di Laboratorio dell’ingegneria di processo T. Inoltre, padroneggia i concetti di Termodinamica inerenti alla trattazione elementare delle leggi fondamentali, acquisibili nel corso di Fisica Generale T- A.

Tutte le lezioni saranno tenute in Italiano. È quindi necessaria la comprensione della lingua italiana per seguire con profitto il corso e per poter utilizzare il materiale didattico fornito.

Programma

1. Aspetti introduttivi e richiami

Scopo della termodinamica. Definizioni di base e richiami: il “continuo”, variabili di processo, pressione, temperatura. 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 (richiami). 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

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

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. Cicli di potenza, cicli di refrigerazione, liquefazione di gas (cenni). 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. L'energia libera 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. Regola delle 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 per sistemi con deviazioni dall'idealità; applicazione della regola della leva. Volatilità relativa. Azeotropi omogenei.

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.

9. Equilibri liquido-liquido e liquido-liquido-vapore (contenuti variabili).

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

Diagrammi binari di equilibrio L-L-V; azeotropi eterogenei, lacuna di miscibilità. Sistemi con immiscibilità totale: calcolo delle condizioni di equilibrio per sistemi binari acqua-idrocarburo; effetto di composti incondensabili.

10. Sistemi gas-liquido: applicazioni della legge di Henry e convenzione asimmetrica. Calcolo di solubilità di gas in liquidi per sistemi semplici.

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.

12. Equilibri simultanei (contenuti variabili-cenni).

Regola delle fasi di Gibbs. Equilibri chimici in sistemi eterogenei: pressione di decomposizione di solidi (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 (e/o7a ed.), Mc Graw Hill, 1996

3. M.W. Zemansky, M.M. Abbot, H.C.Van Ness, Fondamenti di termodinamica per ingegneri, Zanichelli, 1979

4. Appunti del docente, disponibili sul sito istituzionale

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula.

Sono previste alcune (max n.4) esercitazioni integrative e facoltative presso il Laboratorio di informatica (Lab6 e/o LADI) e/o in aula, per approfondire alcune tecniche di soluzione numerica di problemi tipici della disciplina.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consta in una prova scritta suddivisa in due parti

Prova scritta - prima parte :

A) domande a risposta multipla su argomenti di teoria relativi alla Termodinamica generale ed alle proprietà delle sostanze pure (durata 15 min; "A LIBRI CHIUSI"); punteggio massimo = 3

B) soluzione numerica di problemi inerenti la caratterizzazione termodinamica di sistemi monocomponenti (sostanze pure in multifase) con calcolo proprietà, bilanci di materia ed energia per singole apparecchiature (durata 2 ore e 15 min, "A LIBRI CHIUSI" con uso calcolatrice scientifica); punteggio massimo = 14

Prova scritta - seconda parte:

A) domande a risposta multipla su argomenti di teoria relativi alla Termodinamica degli equilibri chimico-fisici ed alle proprietà delle miscele (durata 15 min; "A LIBRI CHIUSI"); punteggio massimo = 3

B) soluzione numerica di problemi inerenti la caratterizzazione termodinamica di sistemi multicomponente in condizioni di equilibrio fisico L-V, L-L-V e/o equilibrio chimico: calcolo proprietà, costruzione ed utilizzo di diagrammi di equilibrio, bilanci di materia ed energia per singole apparecchiature (durata 2 ore e 15 min, "A LIBRI APERTI"); punteggio massimo = 14.

Punteggio minimo necessario per il superamento di ciascuna parte =9

L'esame si considera superato se la somma delle valutazioni delle due prove scritte non è inferiore a 18. Tale somma costituisce il voto finale in trentesimi.

«A LIBRI CHIUSI»: la prova si svolge utilizzando esclusivamente il foglio di testo fornito, non è consentita la consultazione di dati e/o appunti, né l’uso di cellulari o di altri supporti informatici, né di calcolatrice scientifica.

«A LIBRI APERTI»: è necessaria la reperibilità di dati dai riferimenti bibliografici forniti nel corso, è consentita la consultazione di appunti e l’utilizzo di supporti informatici (calcolatrice scientifica, pc portatile, tablet). Sono esclusi l’utilizzo di WI-FI, internet, cellulare.

All’appello, prima di accomodarsi alla postazione assegnata, verrà richiesto di consegnare il cellulare.

Obblighi e facilitazioni

Lo studente può scegliere di sostenere le due parti della prova scritta 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.

E’ consentito ripetere una sola volta una prova valutata positivamente, entro i limiti di tempo stabiliti. La consegna dell’elaborato numerico annulla il risultato precedente. La singola prova è da intendersi sempre come l’insieme della parte dei quiz e degli esercizi numerici.

La “prova scritta-prima parte” può essere sostituita dalla prova intermedia che di norma si svolge dopo il completamento delle prime 50 ore di attività didattica frontale ed esercitazioni in aula. A seconda del calendario didattico e compatibilmente con l’orario di lezione assegnato, può essere possibile programmare lo svolgimento della seconda prova intermedia in sostituzione della “prova scritta-seconda parte” immediatamente al termine dello svolgimento delle lezioni.

Il regolamento di esame è riportato anche in maniera dettagliata negli appunti del docente relativi all’AA in corso

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini

Consulta il sito web di Matteo Minelli