Corso di Formazione. Abilitazione alla Conduzione di Impianti Termici Civili P>232kW. Modulo 3.1. (D.M ) (DLGS n 152 del art.

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1 Abilitazione alla Conduzione di Impianti Termici Civili P>232kW (D.M ) (DLGS n 152 del art.287) Corso di Formazione Modulo 3.1 NOZIONI CHIMICA 06/03/2011 p. i. Marco Masi 1

2 STATI DELLA MATERIA Solido : materia che si trova in uno stato condensato caratterizzato da resistenza a deformazione e a variazioni di volume. Fluido : sostanza che si deforma illimitatamente (fluisce) se sottoposta a uno sforzo di taglio, indipendentemente dall'entità di quest'ultimo; è un particolare stato della materia che comprende i liquidi, i gas, il plasma e, in taluni casi, i solidi plastici. Liquido : Le sostanze liquide si differenziano da quelle gassose per il fatto che formano una superficie libera (non creata dal contenitore in cui si trova il liquido), cosa che non accade nei gas. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 2

3 STATI DELLA MATERIA Gas : Un gas è un aeriforme caratterizzato da una temperatura critica inferiore alla temperatura ambiente; gli aeriformi per cui ciò non avviene si trovano nello stato di vapore. In pratica, un gas può anche essere definito come un aeriforme non condensabile a temperatura ambiente. Il gas, come tutti gli aeriformi, rappresenta lo stato della materia in cui le forze interatomiche e intermolecolari tra le singole particelle di una sostanza sono così piccole che non c'è più un'effettiva coesione tra di esse. Gli atomi o le molecole del gas sono liberi di muoversi assumendo ciascuno una certa velocità: le particelle atomiche o molecolari del gas quindi interagiscono urtandosi continuamente l'un l'altra. Per questo un gas non ha un volume definito ma tende ad occupare tutto lo spazio a sua disposizione, e assume la forma del contenitore che lo contiene, riempiendolo completamente. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 3

4 STATI DELLA MATERIA Inoltre, per estensione, tutti gli aeriformi che si trovano ad una temperatura superiore a quella critica vengono detti gas: un esempio è dato dal vapore d'acqua, caratterizzato da una temperatura critica superiore a quella ambiente (374 C), viene definito come "gas d'acqua" solo quando viene portato a superare questa temperatura (temperatura critica). Vapore : Il vapore è uno stato fisico della materia, definibile come stato aeriforme a temperatura inferiore alla propria temperatura critica. Nel linguaggio comune, vapore è utilizzato come sinonimo di vapore acqueo, anche detto vapore d'acqua. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 4

5 GAS VAPORE TEMPERATURA CRITICA Gas = non può essere liquefatto per semplice compressione, poichè si trova al di sopra della sua temperatura critica. Vapore = può essere liquefatto per compressione, poichè si trova al di sotto della sua temperatura critica. Temperatura critica = si definisce critica la temperatura al di sopra della quale una sostanza non può esistere allo stato liquido. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 5

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7 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) Nella chimica i cambiamenti di stato della materia sono i passaggi da uno stato di aggregazione molecolare ad un altro. Ogni passaggio di stato è accompagnato da assorbimento o cessione di una certa quantità di energia. Le transizioni che avvengono con somministrazione di calore sono la fusione e l ebollizione, mentre la condensazione, la solidificazione e la sublimazione sono processi accompagnati da cessione di calore. La quantità di calore assorbita o ceduta da una massa unitaria di una certa sostanza ad una data pressione, durante il passaggio di stato viene detta calore latente. Il termine latente è legato al fatto che tale quantità di calore non determina una variazione di temperatura e risulta, quindi, ad una prima analisi nascosto, ovvero latente. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 7

8 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) I principali cambiamenti di stato sono i seguenti: Evaporazione : L'evaporazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore sulla superficie del liquido. Ebollizione (o vaporizzazione) : L'ebollizione è il passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore su tutta la massa del liquido. Il gas che si forma durante l'ebollizione si addensa in ammassi dette bolle, da cui il nome del fenomeno. Durante l ebollizione si ha la vaporizzazione all'interno di un corpo liquido. Sotto la temperatura di ebollizione, la vaporizzazione si ha solo sulla superficie del liquido, e viene detta evaporazione. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 8

9 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) L'ebollizione si verifica quando la tensione di vapore del liquido eguaglia la pressione. Siccome la tensione di vapore non è mai nulla, abbassando sufficientemente la pressione si può provocare l'ebollizione a temperature anche vicine al punto di congelamento. Per questo motivo, nello spazio esterno alla Terra non esistono corpi liquidi, se non racchiusi in atmosfere che esercitino una sufficiente pressione gravitazionale. Viceversa, alzando la pressione a temperatura costante si interrompe l'ebollizione. Siccome la tensione di vapore aumenta, all'aumentare della temperatura, si ha che, a parità di pressione, raffreddando un liquido in ebollizione, l'ebollizione cessa, mentre scaldando un liquido non in ebollizione, lo si porta in ebollizione. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 9

10 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) Tuttavia, continuando a scaldare un liquido già in ebollizione, se si mantiene costante la pressione, la temperatura non aumenta, in quanto tutto il calore somministrato viene assorbito dal fenomeno dell'ebollizione. La temperatura di ebollizione a una data pressione è una caratteristica di una sostanza o miscuglio, detta punto di ebollizione", determinata dai valori di temperatura e pressione in cui coesistono le fasi liquida e aereiforme di una sostanza. Durante il passaggio da fase liquida a fase gassosa, la sostanza assorbe una certa quantità di calore per vincere le forze di attrazione che tengono uniti gli atomi o le molecole, e la temperatura rimane costante finché tutta la massa liquida non è evaporata. Dopodiché, continuando a riscaldare, riprende a salire. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 10

11 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) Occorre tenere presente che il punto di ebollizione varia a seconda della pressione esterna cui la sostanza è sottoposta; ad esempio l'affermazione che l acqua bolle a 100 gradi Celsius è vera solo al livello del mare, mentre ad esempio in montagna l'ebollizione avviene a una temperatura inferiore. Nel caso dell acqua pura, alcuni punti di ebollizione sono: - alla pressione di 10 kpa assoluti pari a 45.8 C - alla pressione atmosferica (101.3 kpa assoluti) pari a 100 C (per definizione della scala Celsius) - Alla pressione di 200 kpa assoluti pari a C 06/03/2011 p. i. Marco Masi 11

12 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) Fusione : La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. La fusione si ottiene aumentando la temperatura e riducendo la pressione. La temperatura di fusione ad una data pressione varia da sostanza a sostanza. Liquefazione : La liquefazione è il passaggio di un gas dallo stato gassoso allo stato liquido. Si ottiene aumentando la pressione e riducendo la temperatura. Ad esempio: il gas GPL utilizzato nelle auto a gas è un comune esempio di gas liquefatto. Sublimazione : La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido allo stato gassoso o viceversa definito in questo caso sublimazione inversa. senza passare per la fase di liquefazione. Il processo opposto è anche detto brinamento. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 12

13 TRANSIZIONI DI FASE (o CAMBIAMENTI DI STATO) Condensazione : La condensazione (detta liquefazione) è la transizione di fase dallo stato gassoso alla stato liquido di una sostanza. Tale trasformazione si può eseguire a temperatura costante, per compressione se la temperatura del gas è inferiore a quella critica, oppure per raffreddamento con una fonte esterna o per espansione adiabatica; in ogni caso l'operazione di condensazione è esotermica (con rilascio di calore). Ad esempio, la riduzione di temperatura determina la condensazione del vapore acqueo nello nuvole, trasformando il vapore acqueo in pioggia (acqua). 06/03/2011 p. i. Marco Masi 13

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17 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Anidride carbonica Il biossido di carbonio (noto anche come diossido di carbonio o anidride carbonica) è un ossido acido (anidride) formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. A temperatura e pressione ambiente è un gas incolore e inodore. Allo stato solido è chiamato ghiaccio secco. Sublima a -78 C. Formula molecolare = CO 2 Densità (kgm 3 ) = 1,98 Punto triplo = 216,5 K ( 56,6 C) / 5, Pa Punto critico = 304 K (31 C) / 7, Pa Tensione di vapore = (Pa) a 293 K = 5, /03/2011 p. i. Marco Masi 17

18 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Monossido di carbonio Il monossido di carbonio è un gas inodore, incolore, insapore e velenoso. La sua molecola è costituita da un atomo di ossigeno e un atomo di carbonio legati con un triplo legame. Si miscela bene con l'aria, con cui forma facilmente miscele esplosive e penetra facilmente attraverso le pareti e il soffitto. Formula molecolare = CO Densità (kgm 3 ) = 1,145 Limiti di esplosione = 12,5-74% vol. Temperatura di autoignizione = (K) 878 (605 C) 06/03/2011 p. i. Marco Masi 18

19 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Azoto L'azoto molecolare N 2, è composto di due atomi di azoto, ed è un gas incolore, inodore, insapore e inerte che costituisce il 78% dell atmosfera terrestre (è il gas più diffuso nell'aria). Il suo simbolo è N (dal francese nitrogène). Formula molecolare = N 2 Densità (kgm 3 ) = 1,2506 Punto critico = -147,14 C a 3,39 Mpa Punto di fusione = 63,14 K, ( 210,03 C) Punto di ebollizione = 77,35 K, ( 195,82 C) 06/03/2011 p. i. Marco Masi 19

20 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Ossigeno L ossigeno si trova non solo sulla Terra ma in tutto l universo. L'ossigeno è l'elemento chimico più comune della crosta terrestre rappresentandone circa il 47% della massa, mentre nell atmosfera è in percentuale del 21%. Formula molecolare = O 2 Densità (kgm 3 ) = 1,429 Punto di fusione = 50,35 K ( 222,8 C) Punto di ebollizione = 90,18 K ( 182,97 C) Punto critico = 118,57 C a 5,04295 MPa Punto triplo = 218,787 C a 151,99 Pa 06/03/2011 p. i. Marco Masi 20

21 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Metano Il metano è un idrocarburo semplice (alcano) formato da un atomo di carbonio e 4 di idrogeno; la sua formula chimica è CH 4, e si trova in natura sotto forma di gas. Dalla combustione di un normal metro cubo di metano (1 Nm 3 è pari a 44,61 moli) si ottengono circa 39,79 MJ (9503,86 kcal). Formula molecolare = CH 4 Densità (kgm 3 ) = 0,71682 Flash point = (K) 85 (-188 C) Limiti di esplosione = 5,3-14% vol. Temperatura di autoignizione = (K) 873 (600 C) 06/03/2011 p. i. Marco Masi 21

22 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE GPL (Gas di petrolio liquefatto) Il GPL, gas di petrolio liquefatto è talvolta indicato anche come gas propano liquido (essendo il propano il suo componente principale è una miscela di idorcarburi alcani. Il gpl è un combustibile facilmente reperibile, a basso impatto ambientale e con un'elevata resa energetica e calorifica. Il gpl non inquina il suolo e le falde grazie a un basso contenuto di zolfo e a una combustione completa, con modeste quantità di residui. La composizione del GPL non è definita esattamente, per il propano commerciale la densità è compresa tra 505 e 530 kg/m3 con un potere calorifico che non deve essere inferiore a kcal/kg (o 45,8 MJ/kg), con un contenuto di zolfo massimo di 50 ppm. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 22

23 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Aria L'aria è la miscela di areiformi (gas e vapori) costituente l atmosfera terrestre. L'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78% V/V di azoto, per il 21% V/V di ossigeno, per l'0,9% V/V di argon e per lo 0.04% V/V di anidride carbonica, più altri componenti in quantità minori. L'aria cosiddetta aria umida può contenere fino a un 7% di vapore acqueo; tale percentuale dipende dal tasso di umidità relativa dell'aria e dalla temperatura ed è limitata dalla pressione di vapore saturo dell acqua. La massima percentuale contenibile dipende dalla temperatura, varia da valori prossimi allo 0% a -40, a circa 0,5% a 0, al 5-7% intorno ai /03/2011 p. i. Marco Masi 23

24 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Infine, mentre la pressione dell'aria cambia fortemente con l'altitudine (si riduce a 1/2 a circa m, a 1/10 a m e a 1/100 a m), la composizione percentuale dei principali costituenti (azoto, ossigeno e gas rari) non subisce variazioni fino a 8-10 km. Questo perché esistono turbolenze su larga scala che ne provocano un continuo rimescolamento. Al di sopra di tale quota la radiazione solare provoca una dissociazione dei gas, che passano dallo stato molecolare a quello atomico, e varie reazioni chimiche fanno variare considerevolmente la sua composizione. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 24

25 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Aria Umida Umidità Relativa L umidità relativa (o UR) è una quantità usata per misurare l'umidità presente nell'aria. È definita come il rapporto della pressione parziale del vapore acqueo contenuto in un miscuglio gassoso di aria e vapore acqueo rispetto alla pressione di vapore saturo, espressa in percentuale. Un'umidità relativa del 100% indica che il miscuglio gassoso contiene la massima quantità di umidità possibile per le date condizioni di temperatura e pressione. La quantità di vapore che può essere contenuta da una massa d'aria diminuisce al diminuire della temperatura, e diventa nulla a -40 C. Lo strumento usato per misurare l'umidità relativa si chiama igrometro. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 25

26 GAS DI RILEVANTE IMPORTANZA NEI PROCESSI DI COMBUSTIONE Composizione dell atmosfera terrestre Composizione dell'aria secca Nome Formula Proporzione o frazione molecolare % (m/m) Azoto N 2 78,08 % 75,37 % Ossigeno O 2 20,95 % 23,1 % Argon Ar 0,934 % 1,41 % Diossido di carbonio CO ppm (agosto 2010) [3] Neon Ne 18,18 ppm Elio He 5,24 ppm Monossido di azoto NO 5 ppm Kripton Kr 1,14 ppm Metano CH 4 1 / 2 ppm Idrogeno H 2 0,5 ppm Ossido di diazoto N 2 O 0,5 ppm Xeno Xe 0,087 ppm Diossido di azoto NO 2 0,02 ppm Ozono O 3 da 0 a 0,01 ppm Radon Rn 6, ppm 06/03/2011 p. i. Marco Masi 26

27 TEMPERATURE DI SIGNIFICATIVO INTERESSE NELLA COMBUSTIONE Punto di infiammabilità (Flash point) Il punto di infiammabilità (o flash point) di un combustibile è la temperatura più bassa alla quale si formano vapori in quantità tale che in presenza di ossige (aria) e di un innesco abbia luogo il fenomeno della combustione. temperatura di autoignizione temperatura di autoignizione (o di autoaccensione) di un combustibile è la temperatura minima alla quale la sostanza inizia spontaneamente a bruciare in presenza di ossigeno, senza sorgenti esterne di innesco. La stessa temperatura costituisce infatti innesco sufficiente alla combustione. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 27

28 TENSIONE DI VAPORE La pressione di vapore (o tensione di vapore) di una sostanza è la pressione parziale del suo vapore a cui si verifica l'equilibrio fra la fase liquida e la fase gassosa. Per esempio, la pressione di vapore del ferro liquido alla temperatura di 1808 K è 7,02 Pa: questo vuol dire che il ferro liquido inizierà ad evaporare finché il vapore di ferro non avrà raggiunto la pressione di 7,02 Pa e da quel momento in poi il ferro cesserà di evaporare (o meglio: il numero di atomi di ferro che passerà dallo stato liquido a quello gassoso sarà pari a quello che compie la transizione inversa). Per i gas non vale la legge della pressione parziale dei vapori, in quanto la loro tensione non dipende dal volume ma dalla loro temperatura. 06/03/2011 p. i. Marco Masi 28

29 PRESIONE DI VAPORE SATURO Quando un vapore si trova in condizioni di saturazione si dice che esso si trova alla pressione di vapore saturo. PRESIONE PARZIALE La pressione parziale p i di un componente una miscela di gas o vapori è la pressione che questo avrebbe qualora occupasse, da solo, il volume a disposizione dell'intera miscela. PRESIONE TOTALE La pressione totale P di una miscela di gas ideali non è altro che la somma delle pressioni parziali dei singoli componenti (legge di Dalton). 06/03/2011 p. i. Marco Masi 29

30 Nozioni Chimica ALLEGATO Tensione di vapore.pdf Libro di Testo HOEPLI Cap_1 Nozioni di Fisica e Chimica.pdf 06/03/2011 p. i. Marco Masi 30