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 · 30% saleCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% saleProdotto25% sale

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di sale? Trova ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4200 kg/h · 20% zuccheroProdotto P30% 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 = 4200 kg/hxF = 20 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 180 °C140 °Cacqua · 25 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C80 °Cacqua · 15 °C65 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
100 g di HeV = 20 LT = 15 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 100 g di He a 15 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 100 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di Ar passa da 400 kPa, 10 L, 35 °C a 350 kPa e 190 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 350 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

4 g di H2 e 32 g di O2 reagiscono secondo 2H2 + O2 → 2H2O. Quale massa m di H2O si può formare?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Nella reazione 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 8 g di Al reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 32,42 g di AlCl3. Trova la resa percentuale Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreale: 32,42 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L di H₂ e 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 = 1 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,5 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,1 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Zincom = 50 gT = 150 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Acquam = 300 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di zinco da 50 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 150 °C viene immerso in 300 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 300 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H25 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) bruciano completamente: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)30 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,4 L/(mol·min) e parte da 2 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 30 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
1/Tln kT = 30 °Cln 0,002ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

Una reazione del primo ordine ha una costante cinetica di 0,002 s⁻¹ a 30 °C e un’energia di attivazione di 100 kJ/mol. Trova il fattore pre-esponenziale A nell’equazione di Arrhenius.

k = 0,002 s⁻¹T = 30 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 5 L/minX = 80%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,1 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 5 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 80%.

Q = 5 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LQ = 40 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,15 min⁻¹) avviene in un CSTR da 200 L alimentato a 40 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 200 LQ = 40 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT110 °C85 °C95 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore di calore controcorrente trasferisce 20 kW. La sua area di scambio è 1 m². Il fluido caldo si raffredda da 110 a 85 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 95 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 20 kWA = 1 m²Th: 110 → 85 °CTc: 25 → 95 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT140 °C70 °C43,44 °C20 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 140 a 70 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 20 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,17250 mmLegno, k = 0,17150 mm25 °C-8 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 250 mm di cartongesso e 150 mm di legno, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 25 °C e -8 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 25 °CT3 = -8 °C
Ti = °C
20.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,9650 mmCalcestruzzo, k = 1,4100 mmstanza 22 °Cesterno 0 °CQ̇ = ?

Una parete di 50 mm vetro e 100 mm calcestruzzo separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a 0 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 0 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 2,8 m/sD = 150 mmL = 200 mf = 0,028

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 2,8 m/s in un tubo orizzontale lungo 200 m con diametro interno di 150 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 2,8 m/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10sbocco liberoH = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 150 m con diametro interno di 250 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), 4 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 10). 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 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 15 L/sH = 30 m

Una pompa eroga 15 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 30 m. Il rendimento della pompa è del 78% e il motore elettrico che la aziona ha un rendimento del 90%. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza elettrica Pel assorbita dal motore, in kW.

Q = 15 L/sH = 30 mηpump = 78%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 60 L/sΔz = 6 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 60 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 6 m più in alto. Il tubo è lungo 600 m, con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,022; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 60 L/sΔz = 6 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 250 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·(30 − 25)/(25 − 20) = 250 kg/h

Risposta

ṁ2 = 250 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 1400 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 = 4200·20/30 = 2800 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 4200 − 2800 = 1400 kg/h

Risposta

W = 1400 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 35,05 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,1·(180 − 140) = 42 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 42/(1·4,18) = 35,05 °C

Risposta

tout = 35,05 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 0,3165 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 0,5·2,1·(150 − 80) = 73,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·73,5 = 66,15 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 66,15/(4,18·50) = 0,3165 kg/s

Risposta

ṁc = 0,3165 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 2992 kPa

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

Moli

n = m/M = 100/4,003 = 24,98 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Pressione

P = nRT/V = 24,98·8,314·288,1/0,02 = 2992 kPa

Risposta

P = 2992 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 17,18 L

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

Temperature assolute

T1 = 308,1 K, T2 = 463,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/350)·(463,1/308,1) = 17,18 L

Risposta

V2 = 17,18 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 35,75 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(H2) = 4/2,016 = 1,984 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

1,984/2 = 0,9921, 1/1 = 1 → H2

Massa di prodotto

n(H2O) = 0,9921·2 = 1,984 mol
m = 1,984·18,02 = 35,75 g

Risposta

m = 35,75 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 82 %

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(Al) = 8/26,98 = 0,2965 mol
m = 0,2965·2/2·133,33 = 39,53 g

Resa percentuale

Y = 32,42/39,53·100 = 82%

Risposta

Y = 82%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [H2] = 0,2139 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/(1 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,348/(2 + 7,348) = 0,7861 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[H₂] = 1 − x = 0,2139 mol/L

Risposta

[H2] = 0,2139 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,08541 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

0,5 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,5·x − 0,05 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,05))/2 = 0,08541 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,08541 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,08541 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 25,92 °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

50·0,388·(150 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 24)

Ricava la temperatura finale

Tf = (19,4·150 + 1254·24)/(19,4 + 1254) = 25,92 °C

Risposta

Tf = 25,92 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: q = 388,8 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Calore per la massa data

n = 25/180,16 = 0,1388 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,1388·2802 = 388,8 kJ

Risposta

q = 388,8 kJ
13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 0,08 mol/L

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Legge integrata del secondo ordine

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,4·30 = 12,5 L/mol
CA = 1/12,5 = 0,08 mol/L

Risposta

CA = 0,08 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: A = 3,406 × 10¹⁴ s⁻¹

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).

Temperatura assoluta

T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Ricava A dall’equazione di Arrhenius

Ea/(RT) = 100000/(8,314·303,1) = 39,68
A = k·e39,68 = 0,002·1,703 × 10¹⁷ = 3,406 × 10¹⁴ s⁻¹

Risposta

A = 3,406 × 10¹⁴ s⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 80,47 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 = ln(1/(1 − 0,8))/0,1 = 1,609/0,1 = 16,09 min

Volume

V = Q·τ = 5·16,09 = 80,47 L

Risposta

V = 80,47 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 42,86 %

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 = 200/40 = 5 min, kτ = 0,15·5 = 0,75

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 0,75/(1 + 0,75) = 42,86%

Risposta

X = 42,86%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 616,1 W/(m²·K)

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.

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 = 110 − 95 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 25 = 60 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 60)/ln(15/60) = 32,46 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 20000/(1·32,46) = 616,1 W/(m²·K)

Risposta

U = 616,1 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,078 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) = 1·2,1·70 = 147 kW
Tc,out = 20 + 147/(1,5·4,18) = 43,44 °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 = 140 − 43,44 = 96,56 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 20 = 50 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (96,56 − 50)/ln(96,56/50) = 70,74 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 147000/(1000·70,74) = 2,078 m²

Risposta

A = 2,078 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Ti = 4,375 °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 degli strati

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0,1569 = 210,4 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 210,4·0,09804 = 4,375 °C

Risposta

Ti = 4,375 °C
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 856,5 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 in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·10) = 0,005208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·10) = 0,007143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,02568 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (0))/0,02568 = 856,5 W

Risposta

Q̇ = 856,5 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 146,3 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) = 0,028·(200/0,15)·2,8²/(2·9,81) = 14,92 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 = 1000·9,81·14,92 = 146347 Pa = 146,3 kPa

Risposta

Δp = 146,3 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 1,148 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 = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·150/0,25 = 9
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 9 + 11,7)·0,05288 = 1,148 m

Risposta

H = 1,148 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pel = 6,288 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 = 1000·9,81·0,015·30 = 4,415 kW

Potenza all’albero

Pshaft = 4,415/0,78 = 5,66 kW

Potenza elettrica

Pel = 5,66/0,9 = 6,288 kW

Risposta

Pel = 6,288 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 19,76 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66 + 8)·0,1859 = 13,76 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 = 6 + 13,76 = 19,76 m

Risposta

H = 19,76 m

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