Silvestro Natoli

Mariano Calatozzolo

Le nuove indicazioni ministeriali dell’indirizzo “Chimica, Materiali e Biotecnologie” articolazione “Chimica e Materiali” mostrano una tendenza alla compressione dei contenuti ispirandosi ad una logica di “razionalizzazione” delle risorse umane ed economiche anziché alle esigenze della società ed agli obiettivi del processo formativo. In particolare, sono state sacrificate 4 ore settimanali di materie di indirizzo, rendendo necessaria la soppressione di “Chimica-Fisica” per evitare un’eccessiva frammentazione delle discipline chimiche in relazione alle ore a disposizione.
 
 La nuova edizione del manuale accoglie queste indicazioni, assicurando una stretta connessione con la scansione dei programmi ministeriali ma, allo stesso tempo, gli argomenti centrali della disciplina sono sviluppati in maniera da consentire al docente di scegliere le conoscenze da trasmettere, tra tutte quelle indicate nelle indicazioni ministeriali, in base agli obiettivi formativi fissati e di sviluppare gli opportuni approfondimenti.
 
 Le principali novità riguardano i contenuti di “Chimica-Fisica” direttamente correlate alla disciplina di Tecnologie Chimiche che sono state incluse nel piano dell’opera. In particolare: <ul><li>lo studio degli equilibri tra fasi diverse che sono collegati alla trattazione di tutte le operazioni unitarie basate sul raggiungimento di condizioni di equilibrio tra fasi diverse;
</li><li>lo studio della termodinamica e della cinetica chimica, ovvero i cardini teorici che consentono la corretta rappresentazione dei bilanci di materia e di energia e la definizione delle migliori condizioni operative di una reazione, sia per quanto riguarda le rese che le velocità di reazione.</li></ul>

1. I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: il primo principio della termodinamica

1.1 Definizioni e concetti fondamentali

1.2 Temperatura e calore: il principio zero

1.3 L'energia interna e il primo principio

1.4 Il calore specifico

1.5 Entalpia

1.6 Applicazioni del primo principio

Glossario

Esercizi

2. Bilanci di materia ed energia

2.1 Le equazioni di bilancio ed i principi di conservazione

2.2 I bilanci di materia

2.3 Bilanci di energia nei sistemi aperti in cui non si realizzano reazioni chimiche

3. Il trasferimento di calore

3.1 Equazioni di trasferimento

3.2 La conduzione

3.3 La convezione

3.4 Trasmissione di calore per irraggiamento

3.5 Applicazione delle equazioni di bilancio e di trasferimento

3.6 Isolamento termico

4. Le apparecchiature per lo scambio termico

4.1 Gli scambiatori di calore

4.2 Gli scambiatori a doppio tubo

4.3 Gli scambiatori a fascio tubiero

4.4 Altri tipi di scambiatori

4.5 I condensatori e ribollitori

4.6 Il vapore e il trasferimento di energia termica

4.7 Il controllo della temperatura negli scambiatori

5. I fondamenti chimico-fisici dei processi: il secondo ed il terzo principio

5.1 Le macchine termiche

5.2 Secondo principio. gli enunciati di kelvin-planck e clausius

5.3 Il ciclo di carnot

5.4 L'entropia

5.5 Frigoriferi e pompe di calore

5.6 Bilancio entropico

5.7 L'energia “libera” – lavoro ed equilibrio

6. Il trasporto dei gas

6.1 Il lavoro di compressione

6.2 Le apparecchiature per il trasporto dei gas

7. I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: i diagrammi di fase

7.1 I diagrammi di fase di sostanze pure: l'acqua

7.2 Evaporazione ed ebollizione di sostanze pure

7.3 L'equilibrio liquido-vapore nelle soluzioni

8. Concentrazione e cristallizzazione

8.1 Aspetti generali della concentrazione

8.2 Impianti di evaporazione a singolo effetto

8.3 Il comportamento reale delle soluzioni

8.4 Influenza delle variabili di processo

8.5 Gli impianti a multiplo effetto

8.6 Bilanci e dimensionamento degli evaporatori a multiplo effetto

8.7 Evaporazione per ricompressione meccanica del vapore

8.8 Caratteristiche costruttive degli evaporatori

8.9 Le apparecchiature ausiliarie

8.10 Gli schemi di controllo negli impianti di evaporazione

8.11 La cristallizzazione

9. Essiccamento

9.1 Generalità e ambiti applicativi

9.2 I processi in fase gassosa: la psicrometria

9.3 Parametri termometrici dell'aria umida

9.4 Il diagramma psicrometrico

9.5 Le trasformazioni dell'aria umida

9.6 Le caratteristiche interne dei solidi umidi

9.7 Bilanci di materia ed energia nell'essiccamento

9.8 Classificazione e caratteristiche degli essiccatori

9.9 La liofilizzazione

9.10 Il controllo negli impianti di essiccamento

9.11 Le torri di raffreddamento

10. I fondamenti chimico-fisici dei processi: la termodinamica chimica

10.1 Il primo principio e la termochimica

10.2 Spontaneità ed equilibrio chimico

11. I fondamenti chimico-fisici dei processi: cinetica chimica, catalisi, reattori

11.1 La velocità di reazione

11.2 Velocità di reazione e concentrazione

11.3 Velocità di reazione e temperatura

11.4 La velocità di reazione al variare di concentrazione e temperatura

11.5 Catalisi e catalizzatori

11.6 I reattori chimici

12. Processi industriali

12.1 Idrogeno e gas di sintesi

12.2 La sintesi dell'ammoniaca

198 Macchine frigorifere 5  I fondamenti chimico-fisici dei processi: il secondo ed il terzo principio Le macchine termiche, oltre a produrre lavoro meccanico, possono anche essere configurate per trasferire calore da una sorgente fredda ad una calda utilizzando lavoro. Sono dette in questo caso frigoriferi se sono utilizzate per raffreddare un dato ambiente (p.e. frigorifero, abitazione, ecc.) o pompe di calore se lo riscaldano (p.e. abitazione nel periodo invernale). L efficienza di tali macchine si esprime in modo diverso da quanto visto sopra per quelle che producono lavoro (v. § 5.5.1), mentre lo schema concettuale (v. Fig. 5.3) corrisponde in ogni caso a quello di Fig. 5.2 con i flussi invertiti. Sorgente calda T1 Q1 PC Q2 Sorgente fredda T2 W Fig. 5.3 5.2 Schema concettuale di una pompa di calore (PC) o anche di un refrigeratore. Il lavoro W è utilizzato per sottrarre il calore Q2 dalla sorgente di calore a T2 e per trasferire il calore |Q1| = |W| + |Q2| alla sorgente a T1. SECONDO PRINCIPIO. GLI ENUNCIATI DI KELVIN-PLANCK E CLAUSIUS Molteplici sono le implicazioni del secondo principio. Tra le più importanti ci sono il poter verificare se una data trasformazione sia spontanea o meno e poter calcolare il massimo rendimento teoricamente realizzabile per una macchina termica. Molteplici sono pure gli enunciati. Consideriamo quelli di Kelvin-Planck e di Clausius, storicamente più importanti. Sono formulati come negazione della possibilità di realizzare certe trasformazioni. Come si vedrà, i due enunciati sono equivalenti. Enunciato di Kelvin-Planck Formulato nel 1851 da William Thomson (Lord Kelvin) e rielaborato successivamente (1897) da Max Planck (1858-1947, Nobel per la fisica nel 1918), afferma che  non è possibile realizzare una macchina termica che, operando in un ciclo, abbia l unico effetto di trasformare totalmente in lavoro l energia termica prelevata da un unica sorgente di calore . Dall enunciato di Kelvin-Planck discende la necessità per una macchina termica di operare almeno tra due temperature diverse, cedendo alla sorgente fredda quella parte di calore non trasformata in lavoro, il cui rendimento quindi sarà sempre inferiore a uno. Ne deriva l impossibilità di realizzare una macchina termica con un rendimento del 100% (impossibilità del moto perpetuo di seconda specie). Da sottolineare che ci si riferisce ad una macchina termica che opera ciclicamente. Infatti consideriamo un cilindro contenente un gas, chiuso da un pistone mo- 

5.2   Secondo principio. Gli enunciati di Kelvin-Planck e Clausius 199 bile, che si espande isotermicamente assorbendo calore da un opportuna sorgente termica. Per il primo principio si ha:  U = Q   W Trattandosi di una trasformazione a temperatura costante è  U = 0, quindi si produce il lavoro W=Q Ciò non costituisce una violazione del precedente enunciato perché la trasformazione non è ciclica. Perché sia ciclica è necessario riportare il sistema e l ambiente alle condizioni iniziali. Si potrebbe sottrarre calore fornendolo alla stessa sorgente di prima. Ma, ciò facendo, si fornirebbe al sistema la stessa quantità di lavoro precedentemente ottenuta, con il risultato di avere una produzione nulla di lavoro. Inevitabilmente si deve ricorrere ad una sorgente fredda, come si vedrà con il ciclo di Carnot. Si noti come il primo principio non vieti di trasformare con una trasformazione ciclica tutto il calore in lavoro: in un ciclo è  U = 0 e W = Q.   il secondo principio che ci permette di affermare che ciò non è possibile. Enunciato di Clausius Formulato nel 1854 da Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888), afferma che  è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico effetto sia quello di trasferire calore da un corpo freddo a uno caldo . Si tratta di una trasformazione palesemente non spontanea. Per realizzarla è necessario fornire lavoro ad una pompa di calore. Equivalenza degli enunciati di Kelvin-Planck e di Clausius Per dimostrare l equivalenza dei due enunciati è sufficiente utilizzare una macchina termica e una pompa di calore che utilizzano le stesse sorgenti di calore. Nella Fig. 5.4a è rappresentata una macchina termica che viola l enunciato di Kelvin-Plank in quanto trasforma tutto il calore Q1 in lavoro W senza cedere calore alla sorgente fredda. Il lavoro W è, quindi, utilizzato dalla pompa di calore che trasferisce complessivamente il calore Q1 + Q2 alla sorgente calda. Consideriamo il sistema racchiuso nella linea tratteggiata: facendo un bilancio di energia notiamo che la macchina MT + PC ha l unico effetto di trasferire il calore Q2 dalla sorgente fredda alla calda, dato che Q1 è sia prelevato sia ceduto dalla sorgente calda. Si viola così l enunciato di Clausius. Nella Fig. 5.4b è rappresentata una pompa di calore PC che viola l enunciato di Clausius in quanto ha l unico effetto di trasferire il calore Q2 dalla sorgente fredda alla calda. Se ora l accoppiamo con una macchina MT che preleva il calore Q1 dalla sorgente calda e cede il calore Q2 alla fredda, producendo il lavoro W, abbiamo realizzato un sistema PC + MT che utilizza la sola sorgente a T1 da cui preleva il calore |Q1|   |Q2| che trasforma interamente nel lavoro W, in violazione dell enunciato di Kelvin-Planck. 

Le nuove indicazioni ministeriali per "Chimica e Materiali" influenzano il manuale, mantenendo i punti chiave ma consentendo flessibilità.

Tecnologie chimiche industriali

Tecnologie chimiche industriali, Vol. 2

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