Esercitazione per l’esame FE Chemical: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 24 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Bilancio di massa

Regime stazionario
entrata = uscita
Bilancio totale
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilancio per componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporatore
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

Equilibrio chimico

Costante di equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabella ICE
Iniziale, Variazione (×coefficiente), Equilibrio
Equazione di secondo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metodo

  1. Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
  2. Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
  3. Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
  4. Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.

Calorimetria ed entalpia

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinetica chimica

Primo ordine
ln(CA/CA0) = −kt
Tempo di dimezzamento (primo ordine)
t½ = ln 2/k
Secondo ordine
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Due temperature
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Tempo spaziale
τ = V/Q
CSTR, primo ordine
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primo ordine
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversione dal volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR uguali in serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Attrito nei condotti e perdite di carico

Numero di Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime di moto
laminare sotto Re ≈ 2000, turbolento sopra Re ≈ 4000
Velocità media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdite localizzate
hm = ΣK·V²/(2g)
Valori tipici di K
imbocco 0,5, sbocco 1,0, curva a 90° ≈ 0,3
Caduta di pressione
Δp = ρ·g·hf
Due serbatoi aperti
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sbocco libero
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompe e potenza delle pompe

Potenza idraulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potenza all’albero
Pshaft = Ph/ηpump
Potenza elettrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Prevalenza della pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdite dell’impianto
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1350 kg/h · 45% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% zuccheroProdotto40% zucchero

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 40% di zucchero? Trova ṁ2.

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1600 kg/h · 14% NaOHProdotto PP = ? · 40%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.

F = 1600 kg/hxF = 14 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddomiscela di glicole · 130 °C90 °Cacqua · 20 °Ct = ? °C

Il miscela di glicole caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 170 °C90 °Cacqua · 10 °C40 °C · ṁ = ?5% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 90 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
240 g di CO₂P = 200 kPaT = 95 °CV = ?

Quale volume V occupano 240 g di CO₂ a 200 kPa e 95 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 240 gM = 44,01 g/molP = 200 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di N₂ passa da 100 kPa, 2 L, 35 °C a 800 kPa e 150 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 800 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

10 g di CH4 e 20 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Nella reazione N2 + 3H2 → 2NH3, 8 g di N2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 8,27 g di NH3. Trova la resa percentuale Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreale: 8,27 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L di H₂ e 0,1 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,4 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Piombom = 150 gT = 80 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di piombo da 150 g (c = 0,129 J/(g·°C)) a 80 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 250 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H100 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂reagenti2CO₂ + 3H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 100 g di C2H5OH (M = 46,07 g/mol) bruciano completamente: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)C (mol/L)20 min0,42

In una reazione del primo ordine la concentrazione di A scende da 1,2 mol/L a 0,42 mol/L in 20 min. Trova la costante cinetica k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,42 mol/Lt = 20 min
k = min⁻¹
14.Cinetica chimicaDifficile
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))prova 10,50,01prova 210,0141n = ?

Due esperimenti misurano la velocità iniziale di A → prodotti. Con CA0 = 0,5 mol/L la velocità è 0,01 mol/(L·s); con CA0 = 1 mol/L è 0,0141 mol/(L·s). Trova l’ordine di reazione n rispetto ad A.

CA0,1 = 0,5 mol/Lr1 = 0,01 mol/(L·s)CA0,2 = 1 mol/Lr2 = 0,0141 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 80 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 250 L, k = 0,4 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 250 L. L’alimentazione entra a 80 L/min con CA0 = 0,5 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 250 LQ = 80 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 100 LQ = 20 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,4 min⁻¹) avviene in un CSTR da 100 L alimentato a 20 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 100 LQ = 20 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT130 °C30 °C65 °CΔT₁ΔT₂vapore che condensa

In un condensatore, il vapore condensa a 130 °C costanti all’esterno dei tubi. L’acqua di raffreddamento (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) scorre nei tubi e si riscalda da 30 a 65 °C. Il coefficiente globale di scambio è 2000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Ts = 130 °Cṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 65 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT95 °C60 °C39,63 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 95 a 60 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 2 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 500 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 95 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035200 mmVetro, k = 0,9625 mm19 °C-4 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 200 mm di polistirene espanso e 25 mm di vetro, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -4 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 19 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72200 mmLana minerale, k = 0,04100 mmstanza 20 °Cesterno -12 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 200 mm mattone e 100 mm lana minerale separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -12 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -12 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 60 L/sD = 200 mmL = 100 mf = 0,025

Acqua scorre con una portata di 60 L/s in un tubo lungo 100 m con diametro interno di 200 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 60 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2sbocco liberoH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 300 m con diametro interno di 300 mm (fattore di attrito di Darcy f = 0,015) parte da un serbatoio aperto e scarica come getto libero in aria. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 2). Usa g = 9,81 m/s². A quale altezza H deve trovarsi il pelo libero del serbatoio sopra lo sbocco del tubo per avere una portata di 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 60 L/sH = 50 m

Una pompa con rendimento del 70% eroga 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 50 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 60 L/sH = 50 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
300 kPa (relativa)PQ = 20 L/sΔz = 20 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Una pompa trasferisce 20 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 20 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 100 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². La vasca superiore è chiusa e l’aria sopra l’acqua è a una pressione relativa di 300 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 20 L/sΔz = 20 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 6ptank = 300 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 58,33 kg/h

Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.

Bilanci

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(45 − 40)/(40 − 10) = 58,33 kg/h

Risposta

ṁ2 = 58,33 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 560 kg/h

Componente chiave: un componente che passa invariato in una sola corrente (qui il soluto) collega direttamente le portate. Poi il bilancio totale dà il resto.

Bilancio del soluto

F·xF = P·xP → P = 1600·14/40 = 560 kg/h

Risposta

P = 560 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 54,45 °C

Bilancio energetico dello scambiatore: senza perdite, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 2·3,6·(130 − 90) = 288 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 288/(2·4,18) = 54,45 °C

Risposta

tout = 54,45 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,697 kg/s

Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.

Calore ceduto

Qh = 2,5·2,44·(170 − 90) = 488 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·488 = 463,6 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 463,6/(4,18·30) = 3,697 kg/s

Risposta

ṁc = 3,697 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 83,46 L

Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.

Moli

n = 240/44,01 = 5,453 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,453·8,314·368,1/200 = 83,46 L

Risposta

V = 83,46 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 0,3433 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 423,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/800)·(423,1/308,1) = 0,3433 L

Risposta

V2 = 0,3433 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 11,26 g

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Moli di ogni reagente

n(CH4) = 10/16,04 = 0,6234 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reagente limitante

0,6234/1 = 0,6234, 0,625/2 = 0,3125 → O2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,3125·2 = 0,625 mol
m = 0,625·18,02 = 11,26 g

Risposta

m = 11,26 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 85,04 %

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Resa teorica

n(N2) = 8/28,02 = 0,2855 mol
m = 0,2855·2/1·17,03 = 9,724 g

Resa percentuale

Y = 8,27/9,724·100 = 85,04%

Risposta

Y = 85,04%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,02139 mol/L

Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.

Espressione all’equilibrio

54 = (2x)²/(0,1 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,348/(2 + 7,348) = 0,07861 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,02139 mol/L

Risposta

[H2] = 0,02139 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,1433 mol/L

Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.

Espressione all’equilibrio

0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,1433 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,1433 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 19,13 °C

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Bilancio termico

150·0,129·(80 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 18)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,35·80 + 1045·18)/(19,35 + 1045) = 19,13 °C

Risposta

Tf = 19,13 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 2967 kJ

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Entalpia di reazione

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Calore per la massa data

n = 100/46,07 = 2,171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,171·1367 = 2967 kJ

Risposta

q = 2967 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: k = 0,05249 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Legge integrata del primo ordine

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,2/0,42)/20 = 1,05/20 = 0,05249 min⁻¹

Risposta

k = 0,05249 min⁻¹
14.Cinetica chimica

Risposta: n = 0,4957

Metodo delle velocità iniziali: per r = k·Cⁿ, confrontando due prove che differiscono solo per la concentrazione iniziale si elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Raddoppiando C la velocità raddoppia per il primo ordine e quadruplica per il secondo ordine.

Rapporti

r2/r1 = 0,0141/0,01 = 1,41
C2/C1 = 1/0,5 = 2

Ordine

n = ln(1,41)/ln(2) = 0,4957

Risposta

n = 0,4957
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,1433 mol/L

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = V/Q = 250/80 = 3,125 min

Concentrazione di uscita

CA = 0,5·e−0,4·3,125 = 0,1433 mol/L

Risposta

CA = 0,1433 mol/L

Conversione: X = 71,35%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 66,67 %

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = V/Q = 100/20 = 5 min, kτ = 0,4·5 = 2

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66,67%

Risposta

X = 66,67%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,351 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Potenza termica dal lato acqua

Q̇ = 1,5·4,18·(65 − 30) = 219,4 kW

Differenze di temperatura agli estremi

ΔT₁ = 130 − 30 = 100 K
ΔT₂ = 130 − 65 = 65 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 65)/ln(100/65) = 81,25 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 219450/(2000·81,25) = 1,351 m²

Risposta

A = 1,351 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,889 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,3·35 = 80,5 kW
Tc,out = 30 + 80,5/(2·4,18) = 39,63 °C

Differenze di temperatura agli estremi

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 95 − 39,63 = 55,37 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 30 = 30 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55,37 − 30)/ln(55,37/30) = 41,4 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 80500/(500·41,4) = 3,889 m²

Risposta

A = 3,889 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 48,08 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,035·12) = 0,4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·12) = 0,00217 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,4784 = 48,08 W

Risposta

Q̇ = 48,08 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 18,91 °C

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·10) = 0,02778 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·10) = 0,25 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,2928 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-12))/0,2928 = 109,3 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 109,3·0,01 = 18,91 °C

Risposta

Ts = 18,91 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 2,324 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Velocità media

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(100/0,2)·1,91²/(2·9,81) = 2,324 m

Risposta

hf = 2,324 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 1,113 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Velocità

V = Q/A = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·300/0,3 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Equazione dell’energia

Il getto in uscita conserva la sua altezza cinetica; non è una perdita, ma deve essere fornita.

H = (1 + 15 + 3,4)·0,05738 = 1,113 m

Risposta

H = 1,113 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 42,04 kW

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·50 = 29,43 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 29,43/0,7 = 42,04 kW

Risposta

Pshaft = 42,04 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 58,51 m

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Velocità

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0,3305 = 7,932 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono praticamente in quiete, quindi non c’è il termine dell’altezza cinetica.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 20 + 30,58 + 7,932 = 58,51 m

Risposta

H = 58,51 m

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