33931 - CHIMICA DEI PROCESSI DI COMBUSTIONE M

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

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.

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.

Termodinamica Chimica.Richiami di termochimica: entalpie standard di reazione, di formazione e di combustione. Richiami al secondo principio della termodinamica. Le condizioni per la trasformazione spontanea di un sistema non isolato in condizioni di pressione e temperatura costanti: l'energia libera di Gibbs. Considerazioni sulla spontaneità dei diversi tipi di reazioni. 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.

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.

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.

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.

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 e valutazione 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