Ministero dell Interno Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco GPL. Servizio Tecnico Centrale

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1 Ministero dell Interno Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco GPL Servizio Tecnico Centrale ISPETTORATO PER LA FORMAZIONE PROFESSIONALE CORSI MULTIMEDIALI

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3 INDICE G.P.L. 1. IDROCARBURI CARBONIO LA FAMIGLIA DI IDROCARBURI DEL METANO (ALCANI) PRODUZIONE DI IDROCARBURI PROPANO BUTANO GPL ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI DIAGRAMMI DI STATO TENSIONE DI VAPORE LIQUEFAZIONE DEI GAS LEGGI DEI GAS PERFETTI STATICA DEI FLUIDI CENNI SULLA DINAMICA DEI FLUIDI IL GPL IN ITALIA INTRODUZIONE LA PREPARAZIONE DEL GPL PER LA DISTRIBUZIONE ELEMENTI DI UN GRANDE DEPOSITO IMPIANTI PER IL TRAVASO STANDARD DI GPL Generalità Trasferimento tra serbatoi fissi e mobili di grande capacità Autobotti e piccoli serbatoi Imbottigliamento Stazioni di distribuzione di GPL per autotrazione Il riempimento a tappo SERBATOI E ACCESSORI INTRODUZIONE GRANDI SERBATOI PICCOLI SERBATOI BOMBOLE

4 GPL 4.5. ALTRI DISPOSITIVI PER L UTILIZZAZIONE DEL GPL Riduttori di pressione e vaporizzatori L impianto per il GPL nelle auto RILASCIO DI GAS INFIAMMABILI: FENOMENI FISICI COMBUSTIONE E LIMITI DI INFIAMMABILITÀ DEFLAGRAZIONE ED ESPLOSIONE DI UN GAS FUORIUSCITA DI GPL DA UN SERBATOIO BLEVE SFERA DI FUOCO (FIREBALL) ESPLOSIONE DI NUBE DI VAPORE NON CONFINATA (UVCE) STATISTICA, TIPOLOGIA E MISURE DI PREVENZIONE DI INCIDENTI IN ITALIA INTRODUZIONE EVENTI ANOMALI IN IMPIANTI DI STOCCAGGIO PICCOLI SERBATOI DEPOSITO DI GAS GPL PER USO DOMESTICO (BOMBOLE) SEGNALATORI E RILEVATORI DI GAS AUTOVETTURE CON IMPIANTO DI ALIMENTAZIONE A GAS GPL COINVOLTE IN UN INCENDIO UN ESEMPIO SIGNIFICATIVO DI INCIDENTE: BLEVE AUTOCISTERNA, SICILIA INTERVENTI DEL C.N.VV. F. SU RILASCI DI GPL INCENDIATI E ALTRE EMERGENZE GETTI INFIAMMABILI DI GPL IN FASE LIQUIDA INTERVENTI SU GRANDI FIAMME DI GPL SERBATOIO ESPOSTO A INCENDIO Serbatoi fissi Serbatoi di autovetture alimentate a GPL Bidoni TRAVASI DI GPL IN EMERGENZA Il clarinetto Travasi di emergenza tra serbatoi mobili Travaso di emergenza di un serbatoio fisso ANALISI DEI RISCHI E PIANI DI EMERGENZA ESTERNI AI GRANDI IMPIANTI DI GPL CENNI SULLA VULNERABILITÀ DELL UOMO ALLA RADIAZIONE TERMICA EFFETTI DELLA RADIAZIONE SUI MATERIALI METODOLOGIE PER L ANALISI DEL RISCHIO

5 INDICE Lo studio sul campo La simulazione SOSTANZE PERICOLOSE ED EFFETTO DOMINO ELEMENTI DI UN PIANO DI EMERGENZA ESTERNA AD UN DEPOSITO DI GPL IL COMPUTER PER L EMERGENZA E IL C.N.VV.F. (PROGETTO SIGEM-SIMMA)

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7 IDROCARBURI 1. IDROCARBURI 1.1. Carbonio L atomo di carbonio, il sesto elemento della tavola periodica, è costituito da sei elettroni, sei protoni e sei neutroni (si veda fig. 1), la sua massa è esattamente pari a dodici unità elementari 1. Figura 1 Esso costituisce il riferimento attualmente adottato per l unità di massa atomica (un dodicesimo di quella del carbonio) e per l unità di misura della quantità di sostanza 2. Aggregati di soli atomi di carbonio, a seconda della disposizione spaziale degli atomi, possono portare a sostanze assai diverse: la grafite (fig. 2), il diamante (fig. 3) e un materiale realizzato da Fuller nel 1985 e per questo chiamato fullerene (fig. 4). Figura 2 Figura 3 Figura 4 1 La massa in unità atomiche di un elemento, in prima approssimazione, è pari alla somma del numero di protoni e neutroni. Queste particelle costituenti il nucleo atomico hanno masse, ad esempio espresse in kilogrammi, con valori molto vicini ed estremamente più grandi di quella dell elettrone. Storicamente il riferimento dell unità elementare di massa è stato dapprima l idrogeno (elemento con un solo protone) posto uguale ad uno. Oggi il valore accettato per l idrogeno è 1, La mole nel Sistema Internazionale viene definita come la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kilogrammi di carbonio 12. Ovvero una mole di carbonio corrisponde ad una massa di 12 grammi di questo elemento. 7

8 GPL L importanza di questo elemento è innanzitutto nel ruolo che svolge nei cicli vitali; grassi, proteine, zuccheri contengono elevate percentuali di carbonio e l alimentazione può spesso essere schematizzata con una reazione chimica in cui un atomo di carbonio si lega ad una molecola di ossigeno per dar luogo ad un gas (diossido di carbonio, spesso indicato come anidride carbonica) più una certa quantità di energia che viene utilizzata nei modi più disparati. L alterazione del ciclo dell anidride carbonica 1 (rappresentato schematicamente nella figura 5) è dovuto a un surplus di utilizzo di combustibili contenenti carbonio per il riscaldamento, la produzione di energia elettrica e il trasporto su strada; combustione che può essere schematizzata sempre secondo la reazione: C + O 2 CO 2 + energia Figura 5 Dei milioni di composti del carbonio, molti, come è facile capire dalle considerazioni precedenti, sono prodotti di piante ed animali; così fino agli inizi del 1800 si pensava che essi fossero la conseguenza di una forza vitale, da cui il nome di chimica organica che ancor oggi viene attribuito allo studio dei composti del carbonio. 1 Il problema principale di un eccesso di anidride carbonica in atmosfera su scala globale è la sua capacità a trattenere la radiazione infrarossa (il calore riemesso dalla terra) che contribuisce al lento riscaldamento complessivo della terra: effetto serra. 8

9 IDROCARBURI 1.2. La famiglia di idrocarburi del metano (alcani) In una sostanza, il singolo atomo di carbonio ha spesso quattro legami semplici con altri atomi, come nell esempio del diamante (vedi fig. 3). Il più semplice composto di idrogeno (elemento caratterizzato da un solo legame) e carbonio è allora una molecola costituita da un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno in una struttura che assume una forma spaziale che ricorda un tetraedro (fig. 6). Figura 6 Tale composto è il metano CH 4. La reazione di combustione del metano con l ossigeno risulta: CH 4 + 2O 2 CO 2 +2H 2 O + energia (con i numeri davanti ai simboli chimici dei composti, chiamati coefficienti stechiometrici, indicanti il numero di molecole che si combinano nella reazione 1 ). Ossigeno (aria) più metano in determinate condizioni, fiamma libera o scintilla 2, possono quindi dare origine ad anidride carbonica, vapor acqueo ed un energia che può essere misurata dal cosiddetto potere calorifico o calore di combustione della sostanza 3. 1 Nell esempio una molecola di metano si combina con due di ossigeno per dar luogo a una molecola di anidride carbonica e due di acqua. 2 Facendo fuoriuscire gas a bassa pressione e utilizzando una scintilla o un fiammifero si riesce ad ottenere la combustione. Operazione familiare a tutti visto l utilizzo del metano nella maggioranza delle cucine italiane. 3 Il potere calorifico misura l energia prodotta nella combustione di un unità di massa del combustibile. Normalmente si parla di potere calorifico inferiore quando tutta l acqua che si forma nella combustione si libera sotto forma di vapore acqueo. 9

10 GPL Il metano costituisce il capostipite di una famiglia chimica, i cui componenti sono detti alcani, di idrocarburi (idrogeno + carbonio) caratterizzati da legami semplici tra gli atomi che compongono l idrocarburo stesso. La molecola del successivo elemento della famiglia (l etano) è rappresentata tridimensionalmente in figura 7. Figura 7 Come è chiaro, per ottenere l etano C 2 H 6 è come se avessimo aggiunto alla molecola del metano (CH 4 ) (fig. 8) un gruppo composto da un atomo di carbonio e due di idrogeno (CH 2 ). Il risultato è riportato nella figura 9. Figura 8 Figura 9 10

11 IDROCARBURI Si può iterare (ripetere) il procedimento ottenendo il propano (C 3 H 8 ), il butano (C 4 H 10 ), il pentano (C 5 H 12 ), l esano (C 6 H 14 ). Nelle figure 10 e 11 sono rappresentate le molecole di questi ultimi due idrocarburi. Figura 10 Figura 11 APPROFONDIMENTO Si possono generalizzare le considerazioni precedenti, riportando in una tabella il numero di atomi di carbonio e di idrogeno degli idrocarburi della famiglia degli alcani. Atomi di carbonio Atomi di idrogeno Idrocarburo 1 4 metano 2 6 etano 3 8 propano 4 10 butano 5 12 pentano 6 14 esano E facile capire confrontando i diversi numeri che l ennesimo componente della famiglia si ottiene a partire dalla formula: C n H 2n+2. Per n=1 si ha il metano e così via per gli altri valori di n. Gli alcani a temperatura ambiente si possono presentare nella forma solida, liquida e gassosa a seconda del numero di atomi che lo compongono. Essi in genere non vengono commercializzati allo stato puro; inoltre costituiscono i componenti principali della benzina, del gasolio, del gas naturale e della paraffina. 11

12 GPL 1.3. Produzione di idrocarburi L Italia pur non avendo giacimenti particolarmente ricchi di idrocarburi ha oggi una certa produzione nazionale. In tabella vengono riportati i valori relativi agli ultimi anni. Produzione nazionale di idrocarburi liquidi e gassosi Gas naturale (t) Olio grezzo (t) Gasolina naturale (t) Metri complessivi perforati (m) Nel caso del petrolio, il prodotto grezzo, il greggio, un liquido marrone verdastro, molto viscoso, viene lavorato per separarne le diverse componenti (ad esempio idrocarburi con diversi punti di ebollizione). Nelle raffinerie le componenti del petrolio, riscaldate a 400 C, divengono vapore; successivamente, all interno di torri di distillazione (si veda fig. 12) i vapori condensano a diverse altezze (la torre all interno ha dei piatti con temperature crescenti dall alto verso il basso). Figura 12 Le diverse frazioni si raccolgono sui piani della torre. Gli oli pesanti vengono poi sottoposti ad un ulteriore processo di distillazione che, ora, avviene sotto vuoto. 12

13 IDROCARBURI La benzina ricavata nel processo di distillazione non è ancora adatta ad un impiego immediato e viene sottoposta ad un processo chiamato cracking (fig. 13) per aumentarne la percentuale di idrocarburi leggeri, consistente in un riscaldamento e riaggregazione di componenti su particolari catalizzatori. Figura 13 13

14 GPL 1.4. Propano Se si riscalda ad esempio dell olio di paraffina su alcuni granuli di sostanze che favoriscono la reazione chimica (catalizzatori) e si raffredda il gas risultante si ottengono benzina e gas di cracking (si veda fig. 14). Figura 14 Questi ultimi contengono alte percentuali di propano, il terzo elemento degli alcani (per la struttura chimica si rimanda alla figura 15) 1. Figura 15 Il propano è la base per la formazione di diversi prodotti chimici (tra gli altri: etilene, formaldeide, acetone), ma soprattutto può essere liquefatto facilmente alle temperature ordinarie; in tal modo si riesce a concentrare una grande quantità di energia in un piccolo volume. 1 Anche a partire dai giacimenti di metano è possibile ottenere idrocarburi leggeri. 14

15 IDROCARBURI Si consideri ad esempio una bombola per cannelli di taglio o saldatura con all interno del propano liquido (fig. 16): se si apre la valvola fuoriesce propano gassoso, mentre all interno della bombola (fig. 17) il propano allo stato liquido evapora. Figura 16 Figura 17 Dopo la chiusura della valvola si riforma l equilibrio tra propano liquido e aeriforme, con valori della pressione non molto distanti da quelli iniziali. A temperature ordinarie risultano pressioni prossime a 10 bar (dieci volte, circa la pressione atmosferica 1 ). In questo modo, vista la notevole differenza tra la densità del liquido e del gas, è possibile ottenere per ogni litro di propano liquido circa 270 litri di vapore. Tutto ciò ha un prezzo: l elevata pressione che deve sopportare il recipiente, unita all alta infiammabilità del propano, pongono problemi di pericoli potenziali e di sicurezza. 1 Le unità di misura della pressione saranno trattate in dettaglio nel prossimo capitolo. L unità del Sistema Internazionale per la pressione è il pascal (simbolo Pa); la pressione atmosferica equivale a Pa, mentre un altra unità molto utilizzata, il bar, è uguale a Pa. 15

16 GPL 1.5. Butano Accendini, bombolette da campeggio (fig. 18) contengono, generalmente butano. Il gas liquefatto commercializzato con questo nome non è in realtà la semplice sostanza di cui abbiamo parlato la cui struttura chimica è rappresentata in figura 19, ma una miscela complessa composta da butano e isobutano, butene e isobutene 1, idrocarburi aventi proprietà fisiche diverse. Figura 18 Figura 19 Per rendere liquido il butano alla temperatura ambiente (20 C) è sufficiente sottoporlo ad una pressione di circa 3 bar, notevolmente inferiore a quella del propano. Ne consegue il maggiore impiego del butano rispetto al propano in quelle situazioni in cui non sono necessari grandi quantitativi di combustibile e si impiegano contenitori (serbatoi) con pareti non particolarmente spesse. La mancanza di azioni corrosive sui metalli, la sua non tossicità 2, il suo alto potere calorifico depongono in favore del suo utilizzo come combustibile; d altro canto nei mesi invernali non sarebbe possibile utilizzare in maniera adeguata vapori di butano per la pressione troppo bassa, tale da non garantire un flusso sufficiente agli impianti. 1 L isobutano ha la stessa formula chimica del butano, ma la disposizione spaziale dei suoi atomi è più ramificata rispetto a quella del butano. Il butene presenta, a differenza degli idrocarburi tipo metano, dei doppi legami tra gli atomi di idrogeno e carbonio. 2 In forti concentrazioni (oltre il 20%) il butano può avere effetti narcotici. La concentrazione massima ammissibile raccomandata per i lavoratori esposti (8 ore per 5 giorni alla settimana) è di 800 parti per milione di volume in aria. 16

17 IDROCARBURI 1.6. GPL Per ovviare agli inconvenienti del propano (alta pressione di esercizio) e a quelli del butano (opposti al precedente) i due idrocarburi vengono utilizzati come miscela. Il cosiddetto gas di petrolio liquefatto (GPL) è composto per circa il 30% da propano commerciale e per il 70% da butano commerciale. Tenendo presente che questi valori non sono determinati per legge, che i diversi produttori utilizzano percentuali leggermente diverse, che la dizione commerciale sottende a sua volta la composizione della sostanza come miscela di idrocarburi, si capisce che l unica definizione possibile per il GPL fissa solo valori limite per la pressione di esercizio e la densità del combustibile ad una temperatura di riferimento, accennando al tempo stesso alla composizione chimica. Secondo le indicazioni ministeriali 1, il GPL è un gas liquefattibile a temperatura ambiente, avente tensione di vapore massima di 18 bar a 50 C e densità non inferiore a 440 kg al metro cubo a 50 C, costituito prevalentemente da idrocarburi paraffinici e olefinici 2 a tre e quattro atomi di carbonio. 1 Decreto del Ministero dell Interno 13 ottobre Sinonimo di alcheni, cioè della famiglia del metano. 17

18 GPL APPROFONDIMENTO Reazioni chimiche di combustione In condizioni normali, per la combustione di 1 metro cubo di propano sono necessari all incirca 24 metri cubi di aria, mentre il butano necessita di circa 30 metri cubi di aria. Per spiegare tali valori basta sapere la percentuale di ossigeno in aria (21%) e avere conoscenze chimiche tali da risolvere il problema del bilanciamento di una reazione. Iniziamo con l esempio del propano C 3 H 8. In analogia alle reazioni di combustione già trattate in precedenza è facile ottenere (scegliendo i numeri davanti ai simboli delle molecole in modo da avere lo stesso numero di atomi a destra e a sinistra della freccia): C 3 H O 2 3CO 2 +4 H 2 O Quindi una molecola di propano si combina con 5 molecole di ossigeno; poiché si tratta di gas un unità di volume di propano si combina con cinque unità di volume di ossigeno. Un metro cubo di propano reagisce con 5 metri cubi di ossigeno. Il volume di aria corrispondente sarà quasi cinque volte maggiore perché l ossigeno è il 21% dell aria 1. E facile ripetere il calcolo per il butano partendo dalla reazione bilanciata: 2C 4 H O 2 8CO H 2 O 1 Per ottenere il valore di 24 metri cubi, basta dividere 5/0,21. 18

19 2. ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI 2.1. Diagrammi di stato Per definire e confrontare le proprietà fisiche e chimiche delle sostanze spesso sono state scelte come riferimento le caratteristiche dell acqua. Essa viene utilizzata e trasformata nei suoi diversi stati di aggregazione: solido, liquido, gassoso. Fissato un certo volume ci si potrebbe chiedere a quale pressione e temperatura l acqua si trovi allo stato liquido, allo stato solido e in quello gassoso. Ovviamente in condizioni di pressione normale (quella atmosferica) al di sopra dei 100 C l acqua sarà nello stato aeriforme, al di sotto di questa temperatura e al di sopra di 0 C si troverà nello stato liquido e infine al di sotto di 0 C sarà solida. Ripetendo la stessa operazione a pressioni diverse si possono ottenere diagrammi (temperatura, pressione) in cui in ogni punto viene specificato lo stato di aggregazione della sostanza, i cosiddetti diagrammi di stato. Ben presto ci accorgeremmo delle difficoltà di classificare alcuni punti del piano in cui coesistono liquido e vapore (100 C nell esempio precedente) o liquido e solido (0 C alla pressione normale). Punti che di fatto permettono la costruzione dei termometri, nel piano temperatura-pressione, uniti tra di loro, formano una curva che separa due zone aventi diversi stati di aggregazione. Con riferimento alla figura 20, appena al di sotto della curva la sostanza è vapore, mentre al di sopra la sostanza è liquida. Figura 20 19

20 GPL Limitandoci per ora a queste due fasi (considerando anche il solido esistono anche i punti tripli in cui coesistono tutte e tre le fasi) analizziamo i diagrammi di stato relativi al propano (C 3 H 8 ), al butano (C 4 H 10 ) e ai loro relativi prodotti commerciali, rappresentati in figura 21. Figura 21 A pressione normale ( pascal, 1,013 bar) il propano bolle a 42 C, mentre il butano ha una temperatura di ebollizione di -0,5 C. Se si innalza la pressione anche la temperatura di ebollizione aumenta e si ottiene un equilibrio liquido-vapore a temperature più elevate. Per questa stessa ragione, in una pentola a pressione la temperatura di ebollizione dell acqua è maggiore di 100 C e i cibi si cuociono più rapidamente, mentre in montagna, con pressioni più basse di quelle a livello del mare, la temperatura di ebollizione è di conseguenza minore 1, porta a una cottura più lenta e, in alcuni casi, peggiore rispetto alle condizioni normali. Vediamo, sempre con riferimento la figura 2, che il butano commerciale a 0 C ha un valore della pressione di 2 bar 2 e il propano raggiunge 6 bar, mentre a 50 C il valore della pressione di equilibrio del butano è 8 bar, quella del propano 20 bar. 1 Un classico esperimento di laboratorio di fisica mostra la possibilità di far bollire l acqua a 20 C semplicemente inserendo un recipiente contenente acqua al di sotto di una campana di vetro collegata ad una pompa a vuoto. Un termometro all interno dell acqua permette il controllo della temperatura. Togliendo aria al di sopra del recipiente, riducendo la pressione, incominciano a formarsi piccole bolle che via via divengono più grandi fino all ebollizione completa dell intero liquido. 2 Ritorneremo più volte sulle unità di misura della pressione, qui basti ricordare che in prima approssimazione la pressione normale è 1 bar. 20

21 ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI Considerando che il GPL è una miscela di butano e propano commerciali si capisce come negli intervalli di temperature ordinarie serbatoi come in figura 22 debbano sopportare pressioni di esercizio dell ordine di bar 1. Figura Tensione di vapore Il contenitore, in genere di forma cilindrica orizzontale o verticale (fig. 23), è riempito per circa l 80% di GPL nella fase liquida, mentre nel restante 20% di volume vi sono i vapori di GPL. Figura 23 1 In realtà il recipiente è pensato per resistere a pressioni più elevate. Nel capitolo dedicato ai serbatoi ne vengono date le caratteristiche tecniche. 21

22 GPL L equilibrio tra le due fasi è dinamico, nel senso che alla pressione di equilibrio (detta anche tensione di vapore saturo) la massa del liquido e del vapore non cambiano (fig. 24) anche se continuamente molecole del liquido si trasformano in vapore (vaporizzazione) e molecole del vapore si trasformano in liquido (liquefazione). Figura 24 Il termine tensione di vapore saturo sta ad indicare che nemmeno una goccia di liquido, a quella temperatura, può aggiungersi al vapore e viceversa. Per rompere l equilibrio bisogna togliere del vapore. Ad esempio, mentre si utilizza il GPL, si sottrae vapore e questo viene prodotto a scapito della massa di liquido che, quindi, durante l utilizzazione evaporerà. Ovviamente un altro modo di modificare l equilibrio dinamico è variare la temperatura esterna: in questo caso, come abbiamo già detto, varierà la tensione di vapore e di conseguenza lo stress al quale è sottoposto il recipiente metallico. 22

23 ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI 2.3. Liquefazione dei gas A pressione atmosferica è abbastanza semplice liquefare il butano: basta far passare in un recipiente immerso in una soluzione a bassa temperatura del butano gassoso (fig. 25). Figura 25 Un metodo alternativo per raggiungere lo stesso scopo, potrebbe essere quello di provare a sottoporre il gas, a temperatura ambiente, a pressioni crescenti (fig. 26). Figura 26 Lo studio di un gas reale (mantenuto a temperatura costante in un termostato) in un recipiente a volume variabile porta a scoprire che in realtà solo al di sotto di una data temperatura è possibile liquefare la sostanza aeriforme per sola compressione. 23

24 GPL Al di sopra di tale temperatura aumentando la pressione si riduce il volume del gas seguendo approssimativamente una legge che porta il nome di Robert Boyle (fig. 27): a temperatura costante, pressione e volume del gas sono grandezze inversamente proporzionali ovvero, in simboli: PV = costante 1 Figura 27 Il grafico risultante nel piano volume-pressione è un iperbole. Abbassando la temperatura del termostato e ripetendo l esperimento, la curva risultante si allontana sempre più dalla regolarità di un iperbole fino a raggiungere una temperatura critica (Tc) al di sotto della quale vi è un ampia zona in cui coesistono liquido e vapore. Le curve risultanti sono riportate nella figura 28. Figura 28 1 Raddoppiando la pressione si dimezza il volume, triplicando P il volume V si riduce a 1/3, ecc. 24

25 ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI Nella tabella che segue vengono indicati i valori approssimati delle pressioni critiche e delle temperature critiche del propano, butano e GPL. Sostanza Temperatura critica ( C) Pressione critica (bar) propano butano GPL Come si vede alla temperature ordinarie il GPL e i suoi componenti possono essere sempre liquefatti esercitando la pressione opportuna Leggi dei gas perfetti E possibile cercare di generalizzare la legge di Boyle, ottenendo un equazione che descriva le curve sperimentali di figura 28. Le curve teoriche (fig.29) ottenute da Van der Waals approssimano in modo sufficientemente preciso l andamento di molti gas reali. Figura 29 Tuttavia, data la relativa complessità delle equazioni corrispondenti, ha avuto molto più successo una legge approssimata descrivente non il gas reale, ma un suo modello ideale, chiamata per questo legge dei gas ideali. Essa permette di effettuare rapidi calcoli e di raggiungere in fretta a conclusioni sufficientemente approssimate rispetto a molte situazioni reali. Poiché un gas può essere caratterizzato da una certa pressione, da una temperatura e dal volume (del recipiente che lo contiene), lo studio dei gas, per semplicità, viene realizzato mantenendo costante una grandezza e variando le altre due. 1 Si tenga presente che i valori del propano e del butano si riferiscono alle sostanze pure, mentre il GPL è una miscela, con percentuali non fissate a priori di butano e propano commerciali. 25

26 GPL Abbiamo già trattato il caso in cui la temperatura è costante. Vediamo ora la legge approssimata relativa alle trasformazioni a volume costante, associata in genere al nome di Gay Lussac (fig. 30) e quella relativa alle trasformazioni con pressione costante studiata dallo scienziato Charles (fig.31). Figura 30 Figura 31 Ancora oggi, è facile ottenere dei valori sperimentali utilizzando solo un recipiente rigido (volume costante) contenente aria (una miscela di gas) e misurando la pressione al variare della temperatura. Riportando i valori della temperatura e della pressione su un grafico si ottengono dei punti allineati; il grafico risultante è una retta che non passa per l origine (fig. 32). Figura 32 26

27 ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI Prolungando questa retta dalla parte delle temperature Celsius negative si ricava che l intersezione con l asse orizzontale (pressione con valore nullo) vale 273 C (vedi fig. 33). Figura 33 Dunque avvicinandosi teoricamente 1 alla pressione nulla la temperatura dei gas 2 tende a 273 C. Appare allora naturale passare dalla scala Celsius della temperatura ad un altra scala traslata (spostata) di 273 gradi in modo da ottenere una retta passante per l origine (vedi fig. 34). Figura 34 L unità di misura della temperatura termodinamica è oggi il kelvin (simbolo K 3 ) che si ottiene dal grado Celsius aumentandolo di un valore pari a 273,15 4. Con questa unità per i gas ideali, pressione e temperatura a volume costante sono grandezze direttamente proporzionali; ovvero, in simboli, la legge di Gay-Lussac diviene: P/T = costante 5. 1 Se i valori sperimentali fossero presi su un ampio intervallo di temperature questi non sarebbero più allineati. 2 In realtà i gas a bassa temperatura liquefa, quindi il discorso è puramente teorico. 3 In passato si utilizzava la notazione gradi kelvin, oggi abolita dal Sistema Internazionale. Ancora in molti vecchi testi e nei libri americani (che non adottano il SI) è possibile trovare K. 4 L intervallo (le variazioni di temperatura) di un grado Celsius corrisponde comunque a 1 kelvin. Ovvero dire che la temperatura è aumentata di un kelvin o di 1 C è equivalente. Spieghiamolo con un esempio: una sostanza passa da 20 C a 21 C, quindi la sua temperatura iniziale di 293 K raggiunge 294 K. 5 Raddoppiando la pressione si raddoppia il valore della temperatura (espressa in kelvin), ecc. 27

28 GPL Così è infine possibile arrivare a dimostrare che anche volume e temperatura (a pressione costante) sono grandezze direttamente proporzionali; in simboli la legge di Charles si esprime nella forma: V/T = costante. Raddoppiando la temperatura (kelvin) di un gas in un recipiente che può variare il suo volume, questo a sua volta diviene due volte il valore di partenza 1. APPROFONDIMENTO Equazione di stato dei gas Le tre leggi dei gas (Boyle, Charles e Gay Lussac) possono essere riassunte in un unica equazione che prende il nome di equazione di stato dei gas ideali. In simboli: P V = n R T con P = pressione misurata in pascal 2 ; V = volume espresso in metri cubi; T = temperatura misurata in kelvin; n = quantità della sostanza misurata in moli 3, R = costante dei gas che vale nel Sistema Internazionale 8, Statica dei fluidi Se la temperatura e la sua unità di misura rappresentano argomenti importanti dei precedenti paragrafi, qui parleremo di altre grandezze: la densità, chiamata oggi massa volumica per indicare che si ottiene dal rapporto tra massa e volume, e, ancora, la pressione. Per ricavare la massa volumica dell aria è sufficiente misurare le masse di un recipiente pieno d aria e quella dello stesso recipiente svuotato dall aria (ad esempio tramite una pompa). Si trova così che un contenitore capace di trattenere un metro cubo d aria ha una differenza delle masse pari a circa 1,27 kg. Il rapporto massa volume dell aria a pressione ordinaria è quindi 1,27 kg/m 3. 1 Un esempio numerico può chiarire meglio questa legge. Un gas a 300 K (circa 27 C) e volume 1 (l unità è inessenziale) raggiunge 330 K (mantenendo la pressione costante). Il volume finale si ottiene semplicemente come rapporto tra le due temperature 330/300=1,1. Quindi percentualmente il volume iniziale del gas è variato del 10%. 2 Come è stato già ricordato la pressione convenzionale di riferimento è Pa, pari a 1,013 bar. 3 Si ricorda che una mole di idrogeno corrisponde a due grammi, ovvero una quantità di sostanza misurata in grammi equivalente alle unità elementari atomiche (numero di protoni e neutroni che compongono la sostanza). 4 Le costanti in fisica hanno generalmente un unità di misura, l unità di R si può ricavare dall equazione di stato: pascal x metro cubo/mol x kelvin. 28

29 ELEMENTI DI FISICA DEI FLUIDI In genere non ci si rende conto che in una stanza vi sono decine di kilogrammi di aria perché il valore di riferimento della densità nelle esperienze comuni è quello dell acqua, pari a 1000 kilogrammi/metro cubo 1. Ovviamente le densità vanno misurate secondo una temperatura di riferimento, poiché il volume, specie dei gas, dipende fortemente dalla temperatura. Nella tabella che segue sono riportati i valori delle masse volumiche di alcuni combustibili gassosi con indicate la pressione e la temperatura di riferimento. Sostanza Massa volumica (kg/m 3 ) alla temperatura di 0 C e alla pressione normale ( Pa) Isobutano 2,67 Propano 2,02 Metano 0,72 Come è chiaro il propano e il butano (e quindi il GPL) hanno una densità notevolmente superiore a quella dell aria. Così in caso di fuga delle tubazioni o dei contenitori di GPL, le miscele gassose di propano e butano, in mancanza di ventilazione, ristagnano vicino ai luoghi dove si è verificata la perdita con conseguenti pericoli. Viceversa il metano, in spazi aperti, avendo una densità minore dell aria si può disperdere più facilmente. Da ciò deriva inoltre la ragione per cui i rivelatori di gas in ambienti chiusi vengano posizionati in basso nel caso del GPL e in alto nel caso di metano 2. Un altra grandezza caratteristica dei combustibili gassosi, essenziale per la sicurezza, è la tensione di vapore, ovvero la pressione nei serbatoi. Il controllo di tale grandezze viene affidata a strumenti chiamati manometri. Nella loro forma più semplice, adatta solo per gas con pressioni prossime a quelle dell atmosfera terrestre, è sufficiente utilizzare un manometro costituito da un tubo a forma di U riempito di mercurio e misurare il dislivello del mercurio stesso (fig. 35). Figura 35 1 Una piscina di dimensioni 25 m, 10 m, 3 m, riempita contiene allora kg di acqua. 2 Ritorneremo in seguito sulle caratteristiche dei rivelatori di gas. 29

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