45224 - CHIMICA DEI PROCESSI DI COMBUSTIONE LS

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire la conoscenza degli aspetti termodinamici e cinetici delle reazioni chimiche che avvengono nelle macchine a combustione interna e nei dispositivi di produzione dell'energia. Ciò nell'ottica di un'ottimizzazione delle condizioni, tenendo conto anche dell'emissione di inquinanti nell'atmosfera

Contenuti

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. Spontaneità delle reazioni di ossidazione: il diagramma di Ellingham e suo utilizzo. 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. Potere calorifico superiore ed inferiore. Temperatura adiabatica di fiamma e suo calcolo nelle diverse condizioni. 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 e i nuovi sistemi catalitici. 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

R.A. Michelin, A. Munari - “Fondamenti di Chimica per Ingegneria”, CEDAM, IV Ed., 1998.

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

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

C. Baird – “Chimica Ambientale”, Zanichelli, 1997.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea Munari