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 gli elementi di Termochimica e sa utilizzare i concetti base di bilancio di materia, per sistemi semplici e complessi, acquisibili rispettivamente nei corsi di Fondamenti di Chimica T e di Laboratorio di 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. E' richiesta la conoscenza degli elementi di base di un foglio di calcolo (preferiblmente Excel-pacchetto Office).

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 45 ore di attività frontale, lo studente conosce i principi fondamentali della Termodinamica ed è in grado di eseguire i bilanci di energia per sistemi tipici dell’ingegneria chimica. 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, 8-11 del programma), che comprende circa 45 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 per sistemi binari e di costruire i diagrammi corrispondenti; è 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. Saprà calcolare le condizioni di equilibrio chimico in un reattore con miscele di gas ideali. E’ infine in grado di eseguire bilanci di energia per sistemi multicomponenti con/senza reazione chimica.

1. Aspetti introduttivi e richiami

Scopo della termodinamica. Definizioni di base e richiami di concetti di Termodinamica elementare: il “continuo”, pressione, temperatura e loro unità di misura. Principio zero.  Richiami sugli aspetti di base dell'equazione di bilancio integrale di una proprietà estensiva e sull'equazione di bilancio integrale di materia.

2. Il primo principio della termodinamica

Energia interna. L'equazione di bilancio integrale di energia. Lavoro di pulsione. Entalpia. Lavoro di deformazione di volume e di forma: espressione generica per fluidi stockesiani. 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, efficienza di un ciclo 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 e la curva di inversione. 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 e discussione.

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

Soluzione di semplici problemi dell'ingegneria di processo con applicazioni di bilancio di materia ed energia a tipiche apparecchiature.  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). Lavoro di compressione/espansione per sistemi aperti e chiusi.

6. Termodinamica delle miscele.

Grandezze molari parziali. Equazioni di Maxwell generalizzate. Potenziali chimici. Grandezze di mescolamento; l'entalpia di mescolamento e il calore integrale di soluzione. Miscele di gas ideali, miscele ideali e miscele reali. 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 del coefficiente di attività nel riferimento di Raoult: cenni e breve discussione sull'impiego dei modelli più semplici  (Margules, Van Laar, Wilson).

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 e fattore di Poynting, relazione semplificata di Raoult e legge di Raoult. 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-cenni).

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 (esempio aria-acqua).

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.

Testi/Bibliografia

1. Appunti e dispense del docente, disponibili sul sito web “Virtual Learning Environment-VLE”.
2. S.Sandler, Chemical, Biochemical and Engineering Thermodynamics, 4a ed, J Wiley & Sons, 2006 e 5a ed, J Wiley & Sons, 2020
   
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. J. M. Smith, H.C.Van Ness, M.M. Abbot, M.T.Swihart, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 8a ed., Mc Graw Hill, 2018 (pdf scaricabile on-line)
5. 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 “Virtual Learning Environment-VLE”.

Sono previste alcune (max n.3) esercitazioni integrative e facoltative in aula e/o presso un laboratorio di informatica (LAB6), per approfondire l’uso di programmi di calcolo implementati in un foglio di calcolo (Excel), forniti durante il corso, per la soluzione numerica di problemi tipici della disciplina. I medesimi programmi vengono resi disponibili per lo svolgimento della prova di esame. 

In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai Moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, [https://elearning-sicurezza.unibo.it/] in modalità e-learning.

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 (quiz) e da esercizi, da svolgersi nella modalità “A LIBRI CHIUSI”. Entrambe le prove si svolgono presso un laboratorio di informatica della facoltà. Non è consentito l’accesso né l’uso di dati e programmi residenti su dispositivi remoti o rimovibili. 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.

Prova scritta - prima parte

A) 20 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 22 min). Punteggio massimo = 4(da svolgersi on-line sulla piattaforma EOL)

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: scambiatori di calore, miscelatori, cicli di potenza e/o di raffreddamento (durata 1 ora e 45 min). Per la soluzione numerica è consentito  l’uso di semplici programmi di calcolo implementati in un foglio di calcolo (Excel) messi a disposizione sulla piattaforma EOL; i programmi sono i medesimi forniti a lezione.  Punteggio massimo = 13.

Prova scritta - seconda parte:

A) 20 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 , di calcolo di costante di equilibrio di una reazione, ecc. (durata 22 min). Punteggio massimo = 4 (da svolgersi on-line sulla piattaforma EOL)

B) soluzione numerica di problemi inerenti la caratterizzazione termodinamica di sistemi multicomponente in condizioni di equilibrio fisico 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 45 min). Per la soluzione numerica è consentito l’uso di semplici programmi di calcolo implementati in un foglio di calcolo (Excel) messi a disposizione sulla piattaforma EOL; i programmi sono i medesimi forniti a lezione. Punteggio massimo = 13..

Valutazione dell'esame: Il Punteggio minimo necessario per il superamento di ciascuna parte è posto pari a 9/30. L'esame si considera superato se entrambe le prove hanno ottenuto un punteggio non inferiore a 9/30. La somma dei punteggi di entrambe le prove 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 lavorativi 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, pena il decadimento del voto positivo corrente.

E’ consentito ripetere una sola volta una prova valutata positivamente, entro i limiti di tempo stabiliti. La consegna dell’elaborato annulla il risultato precedente; è possibile esercitare il diritto di recesso (ritiro senza consegna dell'elaborato). La singola prova è da intendersi sempre come l’insieme della parte dei quiz e degli esercizi numerici.

A seconda del calendario didattico e compatibilmente con l’orario di lezione assegnato (e con la possibilità di fare esami “in presenza”), possono essere programmate una o due prove intermedie; la prima prova intermedia, di norma, si svolge dopo il completamento delle prime 45/50 ore di attività didattica frontale ed esercitazioni in aula; la seconda prova intermedia, di norma, 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.

Si prega di fare attenzione ad eventuali modifiche del regolamento di esame che potrebbero rendersi necessarie in periodo di emergenza Covid. Consultare sempre la sezione "avvisi" del sito web docente

 

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato, gli appunti del docente, i files pdf delle lezioni verranno messi a disposizione degli studenti esclusivamente come “materiale riservato agli studenti iscritti al corso” sulla piattaforma VLE dell’Ateneo di Bologna e verrà protetto da password. Lo studente deve considerare il materiale come riservato e personale: non è autorizzata la divulgazione del materiale, né in parti né per intero.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini