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 1250 kg/h · 15% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% saleProdotto20% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 20% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3000 kg/h · 5% zuccheroProdotto P50% zuccheroVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

Un evaporatore concentra una soluzione di zucchero facendo evaporare acqua pura. Trova l’acqua evaporata W in kg/h.

F = 3000 kg/hxF = 5 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C90 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 140 °C90 °Cacqua · 30 °C90 °C · ṁ = ?10% perso

Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
390 g di CH₄V = 30 LT = 55 °CP = ?

Un serbatoio di 30 L contiene 390 g di CH₄ a 55 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 390 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Ar, M = 39,95 g/molP = 550 kPaT = 50 °Cρ = ?

Trova la densità ρ di Ar a 550 kPa e 50 °C, trattandolo come gas ideale.

M = 39,95 g/molP = 550 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

4 g di Al e 8 g di Cl2 reagiscono secondo 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quale massa m di AlCl3 si può formare?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Nella reazione C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 4 g di C3H8 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 9,34 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 9,34 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 25. Trova la concentrazione all’equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,2 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 = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 75 gT = 80 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 75 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 80 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 400 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)X (%)t = ?60%

Una reazione del secondo ordine (−rA = k·CA²) in un reattore batch ha k = 0,8 L/(mol·min) e parte da 1 mol/L. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 60%? Trova t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
t (min)X (%)20 minX = ?

Una reazione del primo ordine ha k = 0,005 min⁻¹ a 25 °C e un’energia di attivazione di 50 kJ/mol. Il reattore batch ora lavora a 35 °C per 20 min. Trova la conversione X raggiunta.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 50 kJ/molT2 = 35 °Ct = 20 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 20 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 500 L, k = 0,08 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,08 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 500 L. L’alimentazione entra a 20 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 = 500 LQ = 20 L/mink = 0,08 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
Q = 50 L/minX = ?V = 50 L

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 50 L alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 50 LQ = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT120 °C70 °C90 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 180 kW. Il fluido caldo si raffredda da 120 a 70 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 90 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 180 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 120 → 70 °CTc: 30 → 90 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT150 °C50 °C?10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 150 a 50 °C. Acqua (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 20 mm, e U = 150 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 50 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 10 °CD = 20 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
19.Conduzione del caloreMedia
Polistirene espanso, k = 0,035200 mmLana minerale, k = 0,04100 mm18 °C-8 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 200 mm di polistirene espanso e 100 mm di lana minerale, con un’area di 10 m². Le facce esterne sono a 18 °C e -8 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 18 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Cartongesso, k = 0,17150 mmLana minerale, k = 0,0450 mmstanza 20 °Cesterno 0 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 150 mm cartongesso e 50 mm lana minerale separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a 0 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 12 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 0 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 3 m/sD = 150 mmL = 100 mf = 0,015

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 3 m/s in un tubo orizzontale lungo 100 m con diametro interno di 150 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 3 m/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 2Δz = ?L = 300 m, D = 200 mm, f = 0,023× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 300 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 3 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 2) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 12 m

Una pompa con rendimento del 60% eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 12 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 25 L/sH = 12 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 6

Una pompa trasferisce 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 5 m più in alto. Il tubo è lungo 300 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,025; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 6 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 6
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 125 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
sale: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(15 − 20)/(20 − 30) = 125 kg/h

Risposta

ṁ2 = 125 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 2700 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 = 3000·5/50 = 300 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 3000 − 300 = 2700 kg/h

Risposta

W = 2700 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 120,4 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 3·2,1·(180 − 90) = 567 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 567/(1,5·4,18) = 120,4 °C

Risposta

tout = 120,4 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,5652 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(140 − 90) = 157,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·157,5 = 141,8 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 141,8/(4,18·60) = 0,5652 kg/s

Risposta

ṁc = 0,5652 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 2211 kPa

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

Moli

n = m/M = 390/16,04 = 24,31 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Pressione

P = nRT/V = 24,31·8,314·328,1/0,03 = 2211 kPa

Risposta

P = 2211 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: ρ = 8,178 kg/m³

Densità di un gas ideale: ρ = PM/(RT).

Riordina la legge dei gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Densità

ρ = 550·39,95/(8,314·323,1) = 8,178 kg/m³

Risposta

ρ = 8,178 kg/m³
7.Stechiometria

Risposta: m = 10,03 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(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol
n(Cl2) = 8/70,9 = 0,1128 mol

Reagente limitante

0,1483/2 = 0,07413, 0,1128/3 = 0,03761 → Cl2

Massa di prodotto

n(AlCl3) = 0,03761·2 = 0,07522 mol
m = 0,07522·133,33 = 10,03 g

Risposta

m = 10,03 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 77,99 %

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(C3H8) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·3/1·44,01 = 11,98 g

Resa percentuale

Y = 9,34/11,98·100 = 77,99%

Risposta

Y = 77,99%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,05714 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

25 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

5 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·5/(2 + 5) = 0,1429 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,05714 mol/L

Risposta

[H2] = 0,05714 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,2 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

0,2 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,2 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,2 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 22,01 °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

75·0,388·(80 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 21)

Ricava la temperatura finale

Tf = (29,1·80 + 1672·21)/(29,1 + 1672) = 22,01 °C

Risposta

Tf = 22,01 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −5755 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Risposta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 1,875 min

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).

Concentrazione finale

CA = 1·(1 − 0,6) = 0,4 mol/L

Legge integrata del secondo ordine

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2,5 − 1)/0,8 = 1,875 min

Risposta

t = 1,875 min
14.Cinetica chimica

Risposta: X = 17,51 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Costante cinetica alla nuova temperatura

T1 = 298,1 K, T2 = 308,1 K
k2 = 0,005·e−(50000/8,314)·(1/308,1 − 1/298,1) = 0,009622 min⁻¹

Conversione

X = 1 − e−0,009622·20 = 1 − 0,8249 = 17,51 %

Risposta

X = 17,51 %
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,06767 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 = 500/20 = 25 min

Concentrazione di uscita

CA = 0,5·e−0,08·25 = 0,06767 mol/L

Risposta

CA = 0,06767 mol/L

Conversione: X = 86,47%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 22,12 %

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 = 50/50 = 1 min, kτ = 0,25·1 = 0,25

Conversione

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,25 = 22,12%

Risposta

X = 22,12%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,452 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.

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 = 120 − 90 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 40)/ln(30/40) = 34,76 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 180000/(1500·34,76) = 3,452 m²

Risposta

A = 3,452 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: L = 162,2 m

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 e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = 0,5·2,1·(150 − 50) = 105 kW
Tc,out = 10 + 105/(0,8·4,18) = 41,4 °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 = 150 − 41,4 = 108,6 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 10 = 40 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (108,6 − 40)/ln(108,6/40) = 68,68 K

Area e lunghezza

A = 105000/(150·68,68) = 10,19 m²
L = A/(πD) = 10,19/(π·0,02) = 162,2 m

Risposta

L = 162,2 m
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 31,65 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)/(0,035·10) = 0,5714 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·10) = 0,25 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 26/0,8214 = 31,65 W

Risposta

Q̇ = 31,65 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 18,88 °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/(7,7·12) = 0,01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·12) = 0,1042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,1927 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (0))/0,1927 = 103,8 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 103,8·0,01082 = 18,88 °C

Risposta

Ts = 18,88 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 45 kPa

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.

Perdita di carico

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(100/0,15)·3²/(2·9,81) = 4,587 m

Caduta di pressione

Il tubo è orizzontale e la velocità non cambia, quindi l’equazione dell’energia si riduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·4,587 = 45000 Pa = 45 kPa

Risposta

Δp = 45 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 4,441 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,02·300/0,2 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Perdita di carico totale

hf = 30·0,1291 = 3,873 m
hm = 4,4·0,1291 = 0,5681 m
Δz = hf + hm = 4,441 m

Risposta

Δz = 4,441 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 4,905 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 = 1000·9,81·0,025·12 = 2,943 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 2,943/0,6 = 4,905 kW

Risposta

Pshaft = 4,905 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 27,85 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 6)·0,408 = 22,85 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono aperte e praticamente in quiete, quindi i termini di pressione e di velocità si annullano.

H = Δz + hL = 5 + 22,85 = 27,85 m

Risposta

H = 27,85 m

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