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

L'insegnamento costituisce un'introduzione allo studio della termodinamica dell'ingegneria chimica, fornendo gli elementi di base della termodinamica generale e la metodologia per la caratterizzazione di sistemi multifase e multicomponenti.

Obiettivo del corso è quello di acquisire principi e metodi della termodinamica dell'ingegneria chimica, di fornire gli elementi di base per la caratterizzazione di sistemi in equilibrio fisico e/o chimico e per il calcolo delle proprietà relative utili al fine di eseguire bilanci di materia ed energia per singole apparecchiature.

 Argomenti principali.

1.      Aspetti introduttivi e richiami

Scopo della termodinamica. Definizioni di base e richiami: il “continuo”, variabili di processo, pressione, temperatura, calore e lavoro. 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. Sistemi di unità di misura.

2.      Il primo principio della termodinamica

Energia interna. L'equazione di bilancio integrale di energia. Lavoro di pulsione. Entalpia. Applicazioni alla soluzione di semplici problemi dell'ingegneria di processo. Lavoro di deformazione. Equazione dell'energia termica.

3.      Il secondo principio della termodinamica

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

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.      Equilibrio e stabilità in sistemi monocomponente

Criteri di equilibrio. Condizione di equilibrio di fase. L'equazione di Clausius-Clapeyron.

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

Riempimento e svuotamento di bombole. Lavoro di compressione. Rendimento di macchine motrici ed operatrici. Refrigerazione, liquefazione, cicli di potenza. Soluzione di problemi di scambio termico.

7.      Termodinamica delle miscele.

Grandezze molari parziali. Grandezze molari parziali, equazione di Gibbs-Duhem e sue applicazioni . Equazioni di Maxwell generalizzate. Potenziali chimici, fugacità, attività e coefficienti di attività di composti in miscela: definizioni, relazioni e proprietà. Riferimento di Raoult.

Miscele ideali e miscele non ideali. Grandezze di mescolamento. Grandezze 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).

8.      Stabilità di stati di equilibrio in miscele. Condizioni di equilibrio fra fasi in assenza di reazione chimica. Regola delle fasi.

9.      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: (T,x), (p,x) e (y,x) per sistemi ideali e con deviazioni dall'idealità; applicazione della regola della leva. Volatilità relativa. Azeotropi.

Calcolo delle condizioni di equilibrio L-V per sistemi binari, ideali e con deviazioni dall'idealità; discussione degli algoritmi risolutivi. Esempi relativi ad evaporatori e a condensatori di equilibrio: bilanci di materia ed energia relativi. Impostazione generale di un problema di equilibrio fra fasi.

10.  Equilibri liquido-liquido e liquido-liquido-vapore.

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

Diagrammi di equilibrio L-L-V; azeotropi eterogenei. Sistemi con immiscibilità totale. Calcolo delle condizioni di equilibrio per sistemi multicomponenti acqua-idrocarburi. Effetto di composti incondensabili.

11.  Sistemi gas-liquido (cenni): solubilità di gas in liquidi, riferimento di Henry.

12.  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 e da miscele gassose ideali. Applicazioni di bilanci di materia ed energia a reattori isotermi ed adiabatici.

13.  Equilibri simultanei (cenni).

Regola delle fasi di Gibbs. Equilibri chimici in sistemi eterogenei: pressione di decomposizione di solidi.

14.  Analisi termodinamica dei processi (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 ed., Mc Graw Hill, 1996
3.    S.Sandler, Chemical Engineering Thermodynamics, 3a ed, J Wiley & Sons, 1999
4.   M.W. Zemansky, M.M. Abbot, H.C.Van Ness, Fondamenti di termodinamica per ingegneri, Zanichelli, 1979
5. R.C. Reid, J.M. Prausnitz, B.E. Poling, The properties of gases and liquids, 4a ed. Mc Graw Hill, 1988
6. K. Denbigh, I principi dell'equilibrio chimico, Casa Editrice Ambrosiana, 1977.
7.  Appunti del docente.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula.

E' prevista una serie di esercitazioni presso il Laboratorio di informatica del DICMA, per apprendere le basi di metodi di soluzione numerica di alcuni problemi tipici della disciplina.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consta in una prova scritta (costituita da due prove parziali sostenibili anche in appelli diversi) ed in una prova orale.

Il regolamento di esame è riportato in maniera dettagliata negli appunti del docente.

Propedeuticità consigliate: Laboratorio di ingegneria di processo T; Fisica generale T-1

Strumenti a supporto della didattica

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini