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
Bilanci di materia e di energia: pacchetto last-minute
Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.
1Formule e metodi
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
- Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
- Converti la massa data in moli: n = m/M.
- Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
- Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.
2Esercizi
1.Bilancio di massaMedia
Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 40% di NaOH? Trova ṁ2.
ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
Un evaporatore concentra una soluzione di sale facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.
F = 2000 kg/hxF = 9 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
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 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
Il olio leggero 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
Un serbatoio di 50 L contiene 330 g di He a 25 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.
m = 330 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Trova la densità ρ di O₂ a 850 kPa e 190 °C, trattandolo come gas ideale.
M = 32 g/molP = 850 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaMedia
8 g di H2 e 8 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
Nella reazione 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 24 g di Al reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 97,25 g di AlCl3. Trova la resa percentuale Y.
M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreale: 97,25 g
Y = %
3Soluzioni
1.Bilancio di massa
Risposta: ṁ2 = 3000 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Risolvi per ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(10 − 40)/(40 − 50) = 3000 kg/h
Risposta
ṁ2 = 3000 kg/h
2.Bilancio di massa
Risposta: P = 514,3 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 = 2000·9/35 = 514,3 kg/h
Risposta
P = 514,3 kg/h
3.Bilancio energetico
Risposta: tout = 26,81 °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 − 60) = 85,4 kW
Calore assorbito dall’acqua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 85,4/(3·4,18) = 26,81 °C
Risposta
tout = 26,81 °C
4.Bilancio energetico
Risposta: ṁc = 3,409 kg/s
Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.
Calore ceduto
Qh = 2,5·2,1·(160 − 60) = 525 kW
Calore che raggiunge l’acqua
Qc = (1 − 0,05)·525 = 498,8 kW
Portata d’acqua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 498,8/(4,18·35) = 3,409 kg/s
Risposta
ṁc = 3,409 kg/s
5.Legge dei gas ideali
Risposta: P = 4087 kPa
Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.
Moli
n = m/M = 330/4,003 = 82,44 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K
Pressione
P = nRT/V = 82,44·8,314·298,1/0,05 = 4087 kPa
Risposta
P = 4087 kPa
6.Legge dei gas ideali
Risposta: ρ = 7,064 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 = 190 + 273,15 = 463,1 K
Densità
ρ = 850·32/(8,314·463,1) = 7,064 kg/m³
Risposta
ρ = 7,064 kg/m³
7.Stechiometria
Risposta: m = 9,01 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) = 8/2,016 = 3,968 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol
Reagente limitante
3,968/2 = 1,984, 0,25/1 = 0,25 → O2
Massa di prodotto
n(H2O) = 0,25·2 = 0,5 mol
m = 0,5·18,02 = 9,01 g
Risposta
m = 9,01 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) = 24/26,98 = 0,8895 mol
m = 0,8895·2/2·133,33 = 118,6 g
Resa percentuale
Y = 97,25/118,6·100 = 82%
Risposta
Y = 82%
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