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 1300 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 = 300 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F1000 kg/h · 20% NaOHProdotto P45% NaOHVapore W (acqua pura)W = ? kg/h

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

F = 1000 kg/hxF = 20 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoetanolo · 130 °C80 °Cacqua · 15 °Ct = ? °C

Il etanolo 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddomiscela di glicole · 150 °C70 °Cacqua · 30 °C45 °C · ṁ = ?15% perso

Il miscela di glicole caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 15% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 15 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
190 g di N₂P = 650 kPaT = 65 °CV = ?

Quale volume V occupano 190 g di N₂ a 650 kPa e 65 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 190 gM = 28,01 g/molP = 650 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di Ar passa da 400 kPa, 5 L, 10 °C a 700 kPa e 220 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 5 LT1 = 10 °CP2 = 700 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

8 g di Fe2O3 e 16 g di CO reagiscono secondo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Nella reazione 2H2 + O2 → 2H2O, 8 g di H2 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 62,93 g di H2O. Trova la resa percentuale Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreale: 62,93 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L di H₂ e 0,8 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 64. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,05 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,25 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Ferrom = 150 gT = 160 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di ferro da 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) a 160 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 400 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
HC6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)C (mol/L)2 minC = ?

Una reazione con legge cinetica −rA = k·CA² ha k = 0,1 L/(mol·min) e parte da 1 mol/L. Trova la concentrazione CA dopo 2 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 2 min
CA = mol/L
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk25 °C0,0535 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,05 min⁻¹ a 25 °C e un’energia di attivazione di 80 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 35 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 35 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 10 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 100 L, k = 0,05 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B (k = 0,05 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) da 100 L. L’alimentazione entra a 10 L/min con CA0 = 1 mol/L. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la concentrazione di uscita CA.

V = 100 LQ = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
Q = 20 L/minX = ?V = 100 L

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,1 min⁻¹) avviene in un reattore a flusso a pistone (PFR) 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 = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT150 °C135 °C100 °C30 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 110 kW. Il fluido caldo si raffredda da 150 a 135 °C e il fluido freddo si riscalda da 30 a 100 °C. Il coefficiente globale di scambio è 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 110 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 150 → 135 °CTc: 30 → 100 °C
A = m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT100 °C60 °C48,01 °C15 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) si raffredda da 100 a 60 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 15 °C. Con U = 1000 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 100 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Cartongesso, k = 0,1750 mmVetro, k = 0,9625 mm18 °C6 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 50 mm di cartongesso e 25 mm di vetro, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 18 °C e 6 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 18 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Mattone, k = 0,72150 mmPolistirene espanso, k = 0,03550 mmstanza 20 °Cesterno -3 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 150 mm mattone e 50 mm polistirene espanso separa una stanza a 20 °C dall’aria esterna a -3 °C. I coefficienti di convezione sono 7,7 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -3 °C
Ts = °C
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
V = 1,8 m/sD = 300 mmL = 400 mf = 0,022

Acqua (ρ = 1000 kg/m³) scorre a 1,8 m/s in un tubo orizzontale lungo 400 m con diametro interno di 300 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Trova la caduta di pressione Δp lungo il tubo in kPa.

V = 1,8 m/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 5sbocco liberoH = ?L = 400 m, D = 300 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Un tubo lungo 400 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), 4 curve (K = 0,3 ciascuna) e una valvola (K = 5). 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 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 50 L/sH = 80 m

In una prova, una pompa eroga 50 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 80 m mentre il suo albero assorbe 46,2 kW. Usa g = 9,81 m/s². Trova il rendimento della pompa η in percentuale.

Q = 50 L/sH = 80 mPshaft = 46,2 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
100 kPa (relativa)PQ = 50 L/sΔz = 14 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,02, 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 14 m più in alto. Il tubo è lungo 150 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; 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 100 kPa. Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 50 L/sΔz = 14 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 6ptank = 100 kPa
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 150 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) = 300·(15 − 20)/(20 − 30) = 150 kg/h

Risposta

ṁ2 = 150 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: W = 555,6 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 = 1000·20/45 = 444,4 kg/h

Bilancio totale

W = F − P = 1000 − 444,4 = 555,6 kg/h

Risposta

W = 555,6 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 29,59 °C

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

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,44·(130 − 80) = 61 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 61/(1·4,18) = 29,59 °C

Risposta

tout = 29,59 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 3,904 kg/s

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

Calore ceduto

Qh = 1·3,6·(150 − 70) = 288 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,15)·288 = 244,8 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 244,8/(4,18·15) = 3,904 kg/s

Risposta

ṁc = 3,904 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 29,34 L

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

Moli

n = 190/28,01 = 6,783 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,783·8,314·338,1/650 = 29,34 L

Risposta

V = 29,34 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 4,976 L

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

Temperature assolute

T1 = 283,1 K, T2 = 493,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(400/700)·(493,1/283,1) = 4,976 L

Risposta

V2 = 4,976 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 6,614 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(Fe2O3) = 8/159,69 = 0,0501 mol
n(CO) = 16/28,01 = 0,5712 mol

Reagente limitante

0,0501/1 = 0,0501, 0,5712/3 = 0,1904 → Fe2O3

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,0501·3 = 0,1503 mol
m = 0,1503·44,01 = 6,614 g

Risposta

m = 6,614 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 88 %

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(H2) = 8/2,016 = 3,968 mol
m = 3,968·2/2·18,02 = 71,51 g

Resa percentuale

Y = 62,93/71,51·100 = 88%

Risposta

Y = 88%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 1,28 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

64 = (2x)²/(0,8 − x)²

Estrai la radice quadrata

8 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·8/(2 + 8) = 0,64 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 1,28 mol/L

Risposta

[HI] = 1,28 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [Cl2] = 0,08956 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

0,05 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,05·x − 0,0125 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,0125))/2 = 0,08956 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[Cl₂] = x = 0,08956 mol/L

Risposta

[Cl2] = 0,08956 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 29,27 °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

150·0,449·(160 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 24)

Ricava la temperatura finale

Tf = (67,35·160 + 1672·24)/(67,35 + 1672) = 29,27 °C

Risposta

Tf = 29,27 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −2802 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

Risposta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: CA = 0,8333 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 = 1 + 0,1·2 = 1,2 L/mol
CA = 1/1,2 = 0,8333 mol/L

Risposta

CA = 0,8333 mol/L
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,1425 min⁻¹

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).

Temperature assolute

T1 = 298,1 K, T2 = 308,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(80000/8,314)·(1/308,1 − 1/298,1) = 1,047
k2 = 0,05·e1,047 = 0,1425 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,1425 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: CA = 0,6065 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 = 100/10 = 10 min

Concentrazione di uscita

CA = 1·e−0,05·10 = 0,6065 mol/L

Risposta

CA = 0,6065 mol/L

Conversione: X = 39,35%.

16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 39,35 %

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 = 0,1·5 = 0,5

Conversione

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Risposta

X = 39,35%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 1,855 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 = 150 − 100 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 135 − 30 = 105 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 105)/ln(50/105) = 74,13 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 110000/(800·74,13) = 1,855 m²

Risposta

A = 1,855 m²
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,851 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) = 1,5·2,3·40 = 138 kW
Tc,out = 15 + 138/(1·4,18) = 48,01 °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 = 100 − 48,01 = 51,99 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 15 = 45 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (51,99 − 45)/ln(51,99/45) = 48,41 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 138000/(1000·48,41) = 2,851 m²

Risposta

A = 2,851 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 224,9 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) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·6) = 0,00434 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 12/0,05336 = 224,9 W

Risposta

Q̇ = 224,9 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 18,35 °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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·6) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,3011 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (20 − (-3))/0,3011 = 76,38 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 76,38·0,02165 = 18,35 °C

Risposta

Ts = 18,35 °C
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δp = 47,52 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) = 0,022·(400/0,3)·1,8²/(2·9,81) = 4,844 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 = 1000·9,81·4,844 = 47520 Pa = 47,52 kPa

Risposta

Δp = 47,52 kPa
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: H = 6,358 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 = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s
V²/(2g) = 0,2295 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,015·400/0,3 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Equazione dell’energia

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

H = (1 + 20 + 6,7)·0,2295 = 6,358 m

Risposta

H = 6,358 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: η = 84,94 %

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 = 1000·9,81·0,05·80 = 39,24 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 39,24/46,2 = 84,94%

Risposta

η = 84,94%
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 34,8 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) = (20 + 6)·0,408 = 10,61 m

Altezza piezometrica

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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 = 14 + 10,19 + 10,61 = 34,8 m

Risposta

H = 34,8 m

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