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

Il corso è sostanzialmente composto da due parti, sequenziali ed interconnesse.

Alla fine della prima parte (argomenti corrispondenti ai capitoli 1-5 e 7 del programma), che comprende circa 50 ore di attività frontale, lo studente conosce i principi fondamentali della Termodinamica ed è in grado di eseguire bilanci di energia per sistemi tipici dell’ingegneria chimica, in condizioni stazionarie e non stazionarie. E’ inoltre in grado di utilizzare diverse tipologie di dati (diagrammi e/o tabelle termodinamiche, dati di pressione di vapore, calori specifici e/o latenti) per eseguire il calcolo delle proprietà delle sostanze pure.

Alla fine della seconda parte (argomenti corrispondenti ai capitoli 6, 8-12 del programma), che comprende circa 40 ore di attività frontale lo studente conosce i principi fondamentali dell’equilibrio di fase e chimico. E’ in grado di analizzare dati di equilibrio L-V, L-L-V per sistemi binari e di costruire i diagrammi corrispondenti. E’ inoltre in grado di eseguire il calcolo delle condizioni di equilibrio per miscele ideali e non ideali binarie ed il calcolo delle condizioni di rugiada anche in presenza di composti incondensabili. E’ infine in grado di calcolare le condizioni di equilibrio chimico in un reattore con miscele di gas ideali e di eseguire il corrispondente bilancio di energia.

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. Rendimento di macchine motrici ed operatrici.

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.

Soluzione di semplici problemi dell'ingegneria di processo. Riempimento e svuotamento di bombole. Lavoro di compressione per sistemi aperti e chiusi. Problemi di scambio termico: miscelatori e scambiatori di calore a superficie. Esempi di semplici cicli di potenza, di semplici cicli di refrigerazione; liquefazione di gas (cenni).

6. Termodinamica delle miscele.

Grandezze molari parziali. Equazioni di Maxwell generalizzate. Potenziali chimici. Grandezze di mescolamento. Miscele ideali e miscele non ideali. L'energia libera di eccedenza. Fugacità, attività e coefficienti di attività di composti in miscela: definizioni, relazioni e proprietà. Riferimento di Raoult. Riferimento di Henry.

Modelli per il calcolo dell’energia libera di eccedenza: 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 di Raoult 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. Volatilità relativa. Azeotropi omogenei. Grado di vaporizzazione e applicazione della regola della leva.

Calcolo delle condizioni di equilibrio L-V per sistemi binari, ideali e con deviazioni dall'idealità; discussione degli algoritmi risolutivi per il calcolo delle condizioni di bolla e di rugiada. 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 della presenza di composti incondensabili sulle condizioni di rugiada.

10. Sistemi gas-liquido.

Applicazioni della legge di Henry e convenzione asimmetrica. Calcolo di solubilità di gas in liquidi per sistemi semplici (aria-acqua, diossido di carbonio-acqua e similari).

11. Equilibri chimici.

Richiami di termochimica (entalpie di reazione, stato standard, legge di Hess). 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. Equilibri chimici in sistemi eterogenei: pressione di decomposizione di solidi (cenni).

Testi/Bibliografia

1. Appunti e dispense del docente, disponibili sul sito web “Insegnamenti online-IOL”.
2. S.Sandler, Chemical, Biochemical and Engineering Thermodynamics, 4a ed, J Wiley & Sons, 2006 (testo di maggior riferimento)
3. J. M. Smith, H.C.Van Ness, M.M. Abbot, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5a (e/o7a ed.), Mc Graw Hill, 1996 (per consultazione; capitoli 8-16)
4. M.W. Zemansky, M.M. Abbot, H.C.Van Ness, Fondamenti di termodinamica per ingegneri, Zanichelli, 1979 (per consultazione dati e/o ripasso degli elementi di Termodinamica elementare)

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula di tipo tradizionale che vengono svolte su supporto informatico (tablet) e messe a disposizione in formato “pdf” sul sito web “Insegnamenti online-IOL”.

Sono previste alcune (max n.4) esercitazioni integrative e facoltative in aula e/o presso un laboratorio di informatica (LAB6 e/o LADI), per approfondire l’uso di programmi di calcolo implementati in un foglio di lavoro (excel), forniti durante il corso, per la 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; ciascuna parte è costituita da domande a risposta multipla e da esercizi, da svolgersi nella modalità “A LIBRI CHIUSI”.

Prova scritta - prima parte

A) 30 domande a risposta multipla su argomenti di teoria relativi alla Termodinamica generale ed alle proprietà delle sostanze pure; sono presenti mini-esercizi di calcolo di proprietà, uso diagrammi e tabelle, lavoro di compressione, equazione di Clausius-Clapeyron, ecc (durata 30 min). Punteggio massimo = 5

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 in condizioni stazionarie e non stazionarie: scambiatori di calore, miscelatori, riempimento e svuotamento bombole, cicli di potenza e/o di raffreddamento (durata 1 ora e 30 min). Punteggio massimo = 12

Prova scritta - seconda parte: si svolge presso un laboratorio di informatica della facoltà

A) 30 domande a risposta multipla su argomenti di teoria relativi alla Termodinamica degli equilibri chimico-fisici ed alle proprietà delle miscele; sono presenti mini-esercizi di analisi di dati di equilibrio L-V, di utilizzo di diagrammi di equilibrio L-V e L-L-V, di calcolo di costante di equilibrio di una reazione, ecc. (durata 30 min). Punteggio massimo = 5

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, analisi dati di equilibrio, costruzione ed utilizzo di diagrammi di equilibrio, bilanci di materia ed energia per miscelatori, per evaporatori e condensatori di equilibrio e per reattori (durata 1 ora e 30 min). Per la soluzione numerica è consentito anche l’uso di semplici programmi di calcolo implementati in un foglio di lavoro (excel) e già caricati nei computer del laboratorio nell’area riservata al corso; non è consentito l’accesso né l’uso di dati e programmi residenti su dispositivi remoti o rimovibili. Punteggio massimo = 12.

Per lo svolgimento di entrambe le prove è richiesto di disporre della tavola periodica e di una copia personale di tabelle del vapor d’acqua.

Il Punteggio minimo necessario per il superamento di ciascuna parte è posto pari a 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. Ai punteggi non inferiori a 33 verrà assegnata la lode.

«A LIBRI CHIUSI»: la prova si svolge utilizzando esclusivamente una calcolatrice scientifica; non è consentita la consultazione di dati e/o appunti, né l’uso di cellulari o di altri supporti informatici che consentano accesso a dati e/o programmi residenti su dispositivi remoti o rimovibili.

Obblighi e facilitazioni

Lo studente deve iscriversi alla lista aperta in AlmaEsami; la lista chiude 7 giorni prima della prova. A lista chiusa non verranno accettate altre iscrizioni. In caso di appello suddiviso in più turni, non è consentito cambiare turno. Eventuali richieste di adattamenti per studenti con disabilità devono pervenire con congruo anticipo ed in ogni caso entro dieci giorni dalla data di esame. 

All’appello, prima di accomodarsi alla postazione assegnata, ad ogni studente verrà richiesto di consegnare il proprio dispositivo di telefonia mobile.

Lo studente può scegliere di sostenere le due parti della prova scritta in appelli diversi. Il completamento della prova di esame 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, indipendentemente dalla consegna dell’elaborato. La consegna dell’elaborato 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