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NOZIONI GENERALI Forza, lavoro, potenza , energia Forza -Una forza è una causa, essa non si vede ma si vedono gli effetti.. E’ la causa, qualunque essa sia, che può modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo Nel Sistema Internazionale (SI) l’unità di misura della forza è quella forza ch...

NOZIONI GENERALI Forza, lavoro, potenza , energia Forza -Una forza è una causa, essa non si vede ma si vedono gli effetti.. E’ la causa, qualunque essa sia, che può modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo Nel Sistema Internazionale (SI) l’unità di misura della forza è quella forza che imprime alla massa unitaria di un kilogrammo l’accelerazione unitaria di un metro al secondo per secondo (kg·m/s²)= N Forza peso La forza peso è una delle più importanti forze di tipo meccanico. Essa è caratterizzata dal fatto che la Terra esercita su tutti i corpi un’attrazione verso il centro. La forza peso chiamata comunemente peso, ha un’intensità proporzionale alla massa del corpo e la sua direzione coincide sempre con la verticale del luogo dove il corpo si trova, il verso è diretto sempre verso il centro della Terra, il suo punto di applicazione è in quel particolare punto del corpo chiamato baricentro. La forza-peso, oltre che in newton può essere misurata nell’unità del Sistema Tecnico (ST), kilogrammoforza (kgf), che esprime la forza con cui la massa di 1 kg viene attirata dalla Terra (g=9,80665 m/s²) Forze (F) 1 N (Newton) = 0,102 kgf 1 kgf = 9,81 N 1 daN = 1,02 kgf 1 kgf = 0,981 daN 19 Lavoro In genere il concetto di lavoro comunemente inteso è associato a quello di forza e di spostamento. Analogamente viene definita in meccanica la grandezza lavoro (L)* *La grandezza derivata lavoro nel SI è espressa con il simbolo W Lavoro = Forza x spostamento →→→→→→→L=F·s↓ ↓ J = N·m Nel SI l’unità di lavoro è denominata joule(J),ed è il lavoro che compie la forza di 1 newton quando il suo punto di applicazione si sposta di 1 metro nella direzione e nel senso della forza. Nel ST l’unità di lavoro è il kilogrammetro(kgf m) definito come il lavoro che compie una forza di 1 kilogrammoforza quando il suo punto di applicazione si sposta di 1 metro nella direzione e nel senso della forza. Tra le due unità: kilogrammetro e joule vale la stessa equivalenza esistente tra kilogrammoforza e il newton 1kgf m = 9,80665 joule Energia Il principio di conservazione dell’ energia afferma che: “l’energia non si crea né si distrugge, solo si trasforma da una forma in un’altra”. -Varie forme di energia ( energia potenziale – energia cinetica – energia termica (calore) – energia chimica ecc. L’energia è una grandezza omogenea con un lavoro e pertanto assume le unità proprie del lavoro. J = N·m Potenza Il concetto di lavoro risulta indipendente dal tempo; infatti un lavoro può essere eseguito indifferentemente in un tempo (t) breve come in tempo lungo, ne deriva l’importanza di stabilire in quanto tempo un dato lavoro viene compiuto. Tale concetto di lavoro associato all’elemento tempo introduce in dinamica una nuova grandezza chiamata potenza (P), che viene definita come il rapporto del lavoro compiuto nell’unità di tempo: P = L/t Nel SI l’unità di potenza viene chiamata watt (W) e corrisponde al lavoro di 1 joule al secondo. Nel ST è il kilogrammetro al secondo (kgf m/s) 1W(watt) = 1J/s→→→→1W= 0,101972 kgf m/s altre trasformazioni 1 CV = 75kgf m/s = 75 · 9,80665 J/s = 735,5 W = 0,7355 kW Essendo il watt un’unità molto piccola si usa molto spesso il suo multiplo il (kW) pari a 1000 W 20  MECCANICA DEI CORPI FLUIDI – STATICA DEI FLUIDI La meccanica dei fluidi studia le condizioni di quiete e di moto dei fluidi con riferimento alle quali viene usualmente suddivisa in statica dei fluidi e dinamica dei fluidi. Fluidi I fluidi hanno molecole dotate di scarsissima coesione e libere di muoversi una rispetto all’altra, per questo a differenza dei solidi non hanno una forma propria; si distinguono in liquidi che hanno un volume proprio e in aeriformi che non hanno volume proprio. Pressione La pressione (p) è una delle grandezze fisiche più importanti e interviene costantemente nello studio del comportamento dei fluidi. -Se si considera una superficie di area (A) e su di essa si applica una forza (F)normale a detta superficie e distribuita uniformemente su tutta la superficie presa in esame si può definire il rapporto: p = _F_ A Nel SI la pressione si misura in (N/m²) detto pascal (Pa) nella pratica però, essendo il pascal un’unità molto piccola viene usato il suo multiplo centomila volte più grande denominato bar (1 bar = 100.000 Pa) Nel ST la pressione si misura in (kgf/m²) è tuttavia usato il (kgf/cm²) detto anche: atmosfera tecnica (at),per l’essere come unità di misura di valore molto prossimo al valore della pressione atmosferica al livello del mare, chiamata anche atmosfera fisica (atm). Da cui: 1 atm = 1,033 at = 1,033 kgf/cm² = 10.330 kgf/m² = 101.300 N/m² = 1,013 bar 1 kg/cm² ≈1 bar→→→→→→1 kg/cm² = 10m.c.a.(metri colonna d’acqua) 21  Uno stesso peso distribuito su superfici di diversa area determina pressioni diverse* Nel caso il blocco sia appoggiato con la superficie più grande si avrà: p= F/A = 100kgf/50cm² = 2kgf/cm² = 2 at ≈ 2 bar nell’altro caso si avrà: p= F/A = 100kgf/10cm² = 10kgf/cm² = 10 at ≈ 10 bar Risulta evidente come a parità di forza applicata F la pressione p sia tanto maggiore quanto minore è l’area della superficie su cui agisce. Pressione idrostatica (legge di Stevino) In un recipiente pieno di liquido, se sulla superficie del liquido non è esercitata nessuna forza, su di essa non vi è pressione (a prescindere da quella atmosferica). Ma sugli strati inferiori del liquido agisce il peso degli strati sovrastanti, così che la pressione nell’interno del liquido aumenta con l’aumentare della profondità. Tale pressione (p) si chiama pressione idrostatica e si dimostra che essa è uguale al prodotto della profondità (h) altezza di colonna liquida sovrastante per il peso specifico del liquido(γ) p = γ·h p= x g x h La relazione che lega la pressione idrostatica al peso specifico e all’altezza della colonna liquida viene indicata come la legge di Stevino. Note: h = 1,83 m ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ grandezza fisica ▼ ▼ ▼ ▼ valore numerico ▼ ▼ unità di misura 22 Principi di idraulica -Vasi comunicanti h2 > h1 p2 > p1 Un fluido si muove all’interno di una tubazione per differenza di pressione. L’equilibrio di due liquidi posti in due differenti vasi tra loro comunicanti si stabilisce in relazione al peso specifico di detti liquidi. Tali liquidi saranno in equilibrio quando: p1 = p2 ed essendo p1 = γ1·h1 p2 = γ2·h2 si ottiene: h1/h2 = γ2/γ1 Cioè, in due vasi comunicanti due liquidi si fanno equilibrio quando le altezze delle loro colonne sono inversamente proporzionali ai rispettivi pesi specifici. 23 -Pressione atmosferica (esperienza di Torricelli) L’aria ha come tutti i corpi, un suo peso e quindi esercita sulla superficie dei corpi una pressione detta pressione atmosferica. Tale valore lo si può determinare dall’esperienza di Torricelli: -si prende un tubo di vetro chiuso a una estremità(canna barometrica) lungo circa un metro e lo si riempie completamente di mercurio(Hg); tenendo chiusa con un dito l’estremità aperta lo si capovolge immergendolo in una bacinella piena anch’essa di mercurio, ed invece di vedere il mercurio scendere fino a raggiungere lo stesso livello della bacinella, al contrario si osserva che esso si arresta ad un livello di circa 760 mm superiore al livello di mercurio nella bacinella. Ciò si spiega osservando che mentre sul mercurio della bacinella si esercita la pressione atmosferica, sul mercurio internamente al tubo c’è il vuoto non essendovi potuta entrare l’aria. Tale altezza rappresenta una misura della pressione atmosferica. Applicando la legge di Stevino: Note: ρ = (ro) →densità o massa volumica g = acc. di gravità h = altezza Mercurio (Hg) patm = γHg h = ρHg g h ρHg =13.596 kg/m³ g = 9,80665 m/s² h = 760 mm = 0,76 m 13.596 · 9,80665 · 0,76 = 101.332 N/m² = 101.332 Pa = 1,013 bar essendo 1kgf = 9,80665 N si ha: patm = 101.332N/m² = 10.333 kg/m² = 1,033 kgf/cm² = 1,033 ata = 1 atm 9,80665N/kgf Acqua (H2O) patm = γH2O h = ρH2O g h ρH2O =1.000 kg/m³ g = 9,80665 m/s² h = 10.330 mm = 10,33 m patm = 1,0 · 9,80665 · 10,33 = 101.302 Pa = 1,013 bar 1 kg/cm² = 1 atm = 0,981 bar 1 daN/cm² = 1 bar = 1,02 kg/cm² 24 Principio di Pascal A = π · d² 4 p=F A La pressione applicata ad un recipiente la ritrovo su tutta la superficie dello stesso (con qualsiasi forma del recipiente) e anche all’ interno del fluido in esso contenuto. Esempio relativo al passo d’uomo (semplificazione) a = 30 cm b = 40 cm A = 30 · 40 = 1200 cm² p = F/A→→→F = p · A caso 0,2 bar F = p · A = 0,2 · 1.200 = 240daN caso 10 bar F = p · A = 10 · 1.200 = 12.000daN 25  ELEMENTI DI TERMOLOGIA Temperatura - E’ una sensazione - E’ un livello (stato) termico ed indica il livello al quale si trova il calore. Lo stato termico dei corpi può anche essere rilevato, grossolanamente dai sensi: il senso del tatto consente di percepire quando un corpo è più caldo o freddo di un altro. Gli apparecchi che servono alla misura delle temperature si chiamano termometri. +CALORE ▼ +ENERGIA ▼ +SOLDI Esempio: (la stessa quantità di energia per innalzare la temperatura di quantità diverse di acqua in un determinato tempo → risultato diverso) Varie sono le unità di misura proposte e di conseguenza sono molte le scale termometriche adottate nei vari paesi o abbandonate con il trascorrere del tempo; tutte le scale però si fondano su due temperature invariabili e perfettamente determinate, cui vengono assegnati valori diversi a secondo del sistema di misura previsto. Queste due temperature fisse sono: a) la temperatura dell’acqua distillata in fase di solidificazione(detta: ghiaccio fondente) valutata alla pressione atmosferica, che viene assunta come limite inferiore. b) la temperatura dell’acqua distillata in fase di ebollizione alla pressione atmosferica, che viene assunta come limite superiore. 39 Termometri Servono per misurare indirettamente la temperatura; l'avverbio "indirettamente" serve ad indicare che nei termometri si sfruttano fenomeni fisici che sono dipendenti dalla temperatura, e quindi in realtà essi misurano "altre cose". Per esempio quelli a mercurio misurano l'aumento di volume del liquido, quelli elettrici misurano la variazione di tensione o di intensità della corrente, quelli metallici la variazione di lunghezza, ecc. Poiché sono moltissimi i fenomeni fisici legati alla temperatura, altrettanti sono i tipi di termometro. Alcuni tipi di termometro 1) termometro a coppia termoelettrica: due lamine di metalli diversi (per esempio rame e zinco) saldati ad una estremità (in rosso nella figura a sinistra), mostrano all'altra estremità una differenza di potenziale elettrico rilevabile con un voltmetro, differenza variabile con la temperatura della saldatura. Se mettiamo la saldatura all'interno dell'ambiente di cui si vuole conoscere la temperatura, il voltmetro ci darà una indicazione che viene tradotta in °C attraverso una opportuna taratura. 2) termometro elettrico: l'elemento sensibile è costituito da una resistenza elettrica inserita in un circuito elettrico alimentato da un generatore (per esempio un accumulatore); la resistenza (in rosso) è variabile con la temperatura e quindi un voltmetro in parallelo (come nella figura a destra) o un amperometro in serie possono misurarla. 3) termometro elettronico: è identico come concezione a quello elettrico, ma al posto della resistenza c'è un chip. Le differenze costruttive sono due: il generatore è di potenza quasi trascurabile e il chip ha una prontezza(*) di risposta di pochi decimi di secondo. 4) termometro metallico: - lamina bimetallica. I due diversi metalli hanno due diversi coefficienti di allungamento; se i coefficienti sono noti, dalla differenza di allungamento ∆L si ricava la temperatura. - spirale. La lamina a spirale si avvolge o si svolge a seconda della temperatura e nel suo moto trascina un indice rotante su un perno: l'angolo di rotazione è proporzionale alla temperatura. 40 Non tutti i termometri possono misurare qualunque temperatura, anzi alcuni di essi hanno limitazioni molto grandi. Vediamone alcune: a) termometro a mercurio e ad alcool. I limiti sono la temperatura di solidificazione (- 39 °C; -114 °C) e quella di vaporizzazione (357 °C; 78 °C). Con il mercurio si può arrivare a circa 900 °C usando un tubo più resistente al calore (il quarzo) riempito con un gas (per esempio azoto) ad alta pressione. L'alcool viene usato comunemente nei banchi frigoriferi a bassissima temperatura, anche perché una sua eventuale rottura non inquina i cibi, come invece farebbe il mercurio. b) termometro a termocoppia, elettrico, elettronico e metallico. I limiti sono: 1) la temperatura di fusione (rame 1.083 °C; zinco 419 °C; acciaio 1.300 °C; nichel 1.450 °C; platino 1.766 °C; tungsteno 3.370 °C; quarzo, con il quale si costruiscono i chip, 1.470 °C); 2) la superconduttività: a temperature dell'ordine di - 250 °C tutti i metalli manifestano il fenomeno della superconduttività, che consiste in pratica nell'annullamento della resistenza elettrica, per cui essi non possono più misurare la temperatura. (*)La prontezza di uno strumento è il tempo necessario affinché l'elemento sensibile si porti in equilibrio con il fenomeno da misurare. ATTENZIONE Q = 0 QUANDO t = 0, COSA NON VERA. INFATTI IL CALORE POSSEDUTO DAI CORPI VALE ZERO SOLO ALLA TEMPERATURA DELLO ZERO ASSOLUTO, CIOE' Q = 0 QUANDO T = 0. 41 Alle temperature suddette si assegnano valori convenzionali, ed il relativo intervallo viene suddiviso in tratti uguali, la cui ampiezza varia a seconda della scala proposta: -La scala Celsius assegna ai due punti fissi le temperature convenzionali rispettivamente di 0° e 100° ne consegue che l’intervallo è suddiviso in 100 parti uguali e per tale motivo si definisce comunemente scala centigrada. Indicheremo la temperatura centigrada con “t” ed il relativo valore numerico con °C. -La scala Fahrenheit, impiegata comunemente nei paesi anglosassoni assegna ai due punti fissi rispettivamente i valori di 32° e 212°, dividendo l’intervallo in 180 parti uguali. Fra le due scale esiste la proporzione:→→→→ °C : 100 = (°F – 32) : 180 Nei calcoli di termodinamica si impiega comunemente una scala termometrica che costituisce una conseguenza di quella centigrada: è noto dalla fisica che si potesse asportare da un corpo tutto il calore che possiede, esso raggiungerebbe una temperatura teorica di -273,15°C. tale limite viene definito “zero assoluto”. Viene così chiamata “scala assoluta” o “scala Kelvin” assegnando il valore nullo allo zero assoluto(-273,15°C) e mantenendo la suddivisone centesimale. Indicheremo la temperatura assoluta con “T” ed il valore numerico con K; fra la temperatura assoluta e temperatura centigrada esiste la relazione T = t + 273,15 42 Calore (energia) Il calore è una forma di energia che può essere trasformata in lavoro, tanto più completamente quanto maggiore è la sua temperatura, quest’ultima è quindi una grandezza che ne condiziona l’utilizzazione e può essere ritenuta come un indice della qualità dell’energia disponibile. L’unità di misura del calore nel ST è la “kilocaloria”- indicata con il simbolo[kcal]– definita come la quantità di calore che si deve somministrare ad un kilogrammo di acqua distillata per elevare la sua temperatura da 14,5° a 15,5°C L’unità di misura nel SI “joule” [J] Da ricordare: 1°C = 1kcal/kg (fino a 120°C approssimazione accettabile) 1 kcal = 4.186 J = 4,186 kJ Esercizio: dimensioni piscina contenente acqua H2O: h = 300cm; largh. = 150dm; lungh.= 25m) t1 = 10°C t2 = 28°C Quantità di calore Q necessaria a innalzare la temperatura da t1 a t2 Q = m · c · ∆t dove: m = massa acqua[kg] c = calore specifico[kcal/kg·°C]→ ∆t = diff. temperatura [°C]→[18°C] Volume piscina → h 300cm=3m; largh. 150dm=15m →3·15·25=1.125m³→1.125.000kg Q = 1.125.000·1·18=20.250.000kcal =84.766.500kJ 43 Capacità termica massica, (nel Sistema Tecnico, calore specifico) DEFINIZIONE: il calore specifico è la quantità di calore necessaria per innalzare di un grado la temperatura di un kg di una determinata sostanza (materia). -E’ una caratteristica propria di ogni sostanza ed i valori si trovano su tabelle→ nate dall'esperienza "pratica", definibili con gli aggettivi "empiriche e sperimentali". ST = Calore specifico (c) [kcal/kg°C] SI = Capacità termica massica [kJ/kg°C] Calore massico Per l’acqua il calore specifico è 1 [kcal/kg°C]→→→(4,186kJ/kg°C) Cambiamento di stato fisico dell’acqua (stati di aggregazione) 44 45  ELEMENTI DI TRASMISSIONE DEL CALORE La trasmissione del calore si occupa delle quantità di calore che passano da un corpo caldo ad uno freddo, chiamati sorgente e ricevitore. Il calore passa spontaneamente dai corpi a temperatura più alta a quelli a temperatura più bassa Paragone tra trasmissione del calore da un corpo caldo ad uno freddo e vasi comunicanti la temperatura è il livello Esempio da T1 > T2 quando c’è ∆T Nel ST si misura in [kcal] Nel SI si misura in [J] → [kJ] Il calore può trasmettersi in tre modi: -1. Per conduzione (contatto), è la trasmissione che si manifesta internamente ai corpi solidi o nei liquidi a riposo o tra due corpi posti a diretto contatto devi esserci ∆T -2. Per convezione, per mezzo di un fluido ( acqua,aria) deve esserci ∆T -3.Per irraggiamento, attraverso onde elettromagnetiche, che possono propagarsi attraverso qualsiasi gas ed anche nel vuoto. Può non esserci ∆T 49 VAPORE Volume: 1kg d’acqua, allo stato liquido, a pressione atmosferica da 0 a 100°C occupa indicativamente 1dm³, Entalpia: h, entalpia o contenuto termico (se vogliamo "contenuto di calore"), "energia" contenuta nell'unita' di peso (1kg) di sostanza. Saturo: -Liquido saturo: liquido che ha raggiunto la temperatura di ebollizione, e che quindi non e' più in grado di assumere ulteriore energia in forma sensibile (aumento di temperatura) ma solo in forma latente (passaggio di stato). -Vapore saturo secco: totalmente vaporizzato, privo di umidità. Ulteriore fornitura di energia possibile solo in forma sensibile: il vapore diventa surriscaldato -Vapore saturo umido: presenza contemporanea di vapore e liquido, identica temperatura e pressione. Ulteriore apporto di energia aumenta la parte vaporizzata riducendo la parte liquida, mentre, sottrazione di energia, riduce la parte vaporizzata aumentando la parte liquida. -Vapore surriscaldato: mantiene la stessa pressione del vapore saturo, ma con temperatura più alta. Non dimenticare mai: in pratica saturo vuol dire presenza contemporanea di liquido e vapore, con stessa temperatura e pressione, ovunque esso si trovi, caldaia, linee vapore, utenze, tubazioni, ev. condense. Titolo “X” : Si parla di titolo solo con vapore saturo. Il titolo stabilisce la parte in peso di acqua vaporizzata. Il titolo ha un valore compreso tra zero (solo liquido saturo) ed uno (solo vapore saturo secco). Valori diversi da zero indicano vapore saturo umido (una parte di liquido ed una di vapore). 0 90 L’ACQUA NEI GENERATORI DI VAPORE Richiami di chimica Le sostanze elementari (elementi) note sono 102 e in chimica vengono indicate con un simbolo che è formato dalle prime lettere del corrispondente nome latino; ad esempio il rame viene indicato come Cu (Cuprum), il ferro Fe, l’idrogeno come H ecc. -La parola “atomo” significa non divisibile (Democrito); è la più piccola porzione di materia che conserva le caratteristiche di un determinato elemento Protoni: particelle dotate di carica positiva (+) Neutroni: particelle elettricamente neutre (prive di carica) Elettroni: particelle dotate di carica negativa (-) ELEMENTO → ATOMO MOLECOLA → SOSTANZA insieme di atomi uguali o diversi tra loro La conoscenza della struttura molecolare è importante per lo studio delle reazioni chimiche e a tal fine, accanto al simbolo viene indicato in basso a destra, il numero degli atomi che formano la molecola; si scriverà così [H2], per indicare che la molecola dell’ idrogeno è composta da due atomi. 68 Nella pratica è difficilissimo trovare sostanze elementari allo stato puro, più facilmente sono mescolate o combinate con altre sostanze. Come si vedrà meglio in seguito, le sostanze elementari si uniscono fra loro formando delle sostanze composte, dalle caratteristiche completamente diverse da quelle di origine. I composti vengono espressi indicando, secondo precise regole, i simboli dei vari elementi e riportando, per ciascuno, il numero di atomi presenti. Esempio: [H2O]→ si vuole indicare che l’acqua è costituita da [H] idrogeno e [O] ossigeno e inoltre, che in una molecola di acqua vi sono due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. I COMPOSTI – Ossidi e anidridi Le sostanze elementari si combinano fra loro chimicamente per dare delle sostanze composte la combinazione più significativa è quella delle varie sostanze elementari con l’ossigeno - metalli + ossigeno = ossidi esempi : Fe2 O3 → ossido di ferro Na2 O → ossido di sodio - non metalli + ossigeno = anidridi esempi: CO2 → anidride carbonica SO2 → anidride solforosa La reazione di una sostanza con l’ossigeno si chiama ossidazione, ed avviene in genere con sviluppo di calore. Basi e acidi Due sostanze composte possono reagire fra di loro, dando luogo a sostanze diverse; in particolare è importante vedere come si comportano con l’acqua gli ossidi e le anidridi: - ossidi + acqua = basi ( o idrossidi o idrati) esempio: CaO + H2O → Ca(OH)2 Ossido di calcio + acqua → idrato di calcio (calce spenta) Na2O + H2O → 2NaOH Ossido di sodio + acqua → idrato di sodio (soda caustica) - anidridi + acqua = acidi esempio: SO2 + H2O → H2SO3 Anidride solforosa + acqua → acido solforoso SO3 + H2O → H2SO4 Anidride solforica + acqua → acido solforico Sali Gli acidi a loro volta, reagiscono con gli idrati, dando luogo a nuove sostanze che si chiamano sali. In queste reazioni si ha anche formazione di acqua. - idrato + acido = sale + acqua 69 Ricapitolando: metallo + ossigeno = ossido ossido + acqua = idrato idrato + acido = sale + acqua non metallo + ossigeno = anidride anidride + acqua = acido Soluzioni Una sostanza composta deriva dall’unione intima, a livello molecolare di sostanze diverse. Due sostanze possono unirsi fra loro in modo semplice, meno completa, mescolandosi in “soluzione”. Separazione dei componenti → per via chimica (sostanze composte a livello molecolare) → per via fisica (sostanze in soluzione cioè mescolate) In una soluzione si distingue la sostanza che scioglie → solvente, dalla sostanza disciolta → soluto. Per esempio acqua(solvente) e sale(soluto),non separabili con mezzi meccanici. Una soluzione può essere: - Insatura, quando il solvente(acqua) contiene meno soluto di quanto potrebbe. - Satura, l’acqua contiene tutto il soluto che può. - Soprassatura*, il solvente contiene più soluto di quanto potrebbe. * L’agitazione del liquido permette ad una soluzione di essere temporaneamente soprassatura. Questa situazione non è stabile, ed il soluto in più poi precipita depositandosi. Inoltre, i limiti di solubilità variano con la temperatura, per es. all’aumentare della temperatura possono aumentare o diminuire, dipende dalle sostanze. L’acqua contiene anche dei gas disciolti, la capacità di sciogliere i gas è massima a temperature basse e nulla a 100°C. Gli ioni Ione è un atomo o una molecola che ha uno o più elettroni in più o in meno rispetto alla condizione di neutralità elettrica. In alcune soluzioni, e in particolare nelle soluzioni acquose, il soluto non resta sotto forma di mole- cola, ma si scinde in ioni positivi (cationi) e negativi (anioni). Esempi (molecole dissociate) NaCl = Na+ (catione) + Cl- (anione) H2O = H+ (catione) + OH- (anione) NaOH = Na+ (catione) + OH- (anione) I solventi capaci di esaltare questo fenomeno si dicono polari, l’acqua è un ottimo solvente polare. La sostanza dissociata si chiama elettrolita. Vi sono elettroliti forti, che si dissociano completamente ed elettroliti deboli, che si dissociano parzialmente. Il pH L’acqua pura è un elettrolita debole, che si dissocia secondo la reazione: H2O = H+ + OH- 70 Il pH è l’indice di concentrazione degli ioni di H+ e OH- dissociati, presenti in una soluzione (o semplicemente quali e di quanto prevalgono). pH 7 = soluzione neutra ioni H+ e OH- in uguale numero. Abbiamo visto che l’acqua è un forte solvente polare. H2O = H+ cationi (caratteristica acida di una soluzione) e OH- anioni (caratteristica basica di una soluzione) I due estremi sono entrambi corrosivi, ma mentre una corrosione acida provoca dei buchi sparsi sulle tubature, quella basica corrode su tutta la superficie delle tubature, è più difficile da individuare, ma la si può notare sui cordoni delle saldature poiché sono più resistenti. La scala del pH è una scala logaritmica, quindi la variazione di un numero significa una variazione del valore di 10 volte, di due numeri di 100 volte, di tre numeri di 1.000 volte e così via. Aggiungendo all’acqua… …acidi, aumenta la concentrazione degli ioni H+, quindi il pH scende. …basi, aumenta la concentrazioni degli ioni OH-, quindi il pH sale. Aggiungendo all’acqua Sali, il pH…: ….sale ….resta uguale ….scende …dipende se è più forte il radicale acido o quello basico del sale. Esempi di differenza del pH: Acqua pura a: Temperatura °C 0°C 18°C 100°C 200°C pH 7,45 7 6,07 5,7 Se noi abbassiamo la temperatura il pH aumenta, se la aumentiamo il pH diminuisce. Alimentare una caldaia con acqua pura, neutra è pericoloso, perché entrando in caldaia, l’aumento di temperatura porta l’acqua tendenzialmente verso l’acido, rendendo l’acqua corrosiva. Nei GV, si mantiene un pH moderatamente alcalino (basico superiore al 7, tra il 9 e 11). 71 Sali disciolti L’acqua piovana è pura (H2O), ma cadendo, si mescola con la CO2 presente nell’aria, diventando così: H2O + CO2 = H2CO3 = acido carbonico Attraversa il terreno e trova: CaCO3 carbonato di calcio (calcare) + H2CO3 = = Ca(HCO3)2 bicarbonato di calcio (sale acido) In caldaia questi elementi, subiscono la reazione inversa. Da qui classifichiamo: Sali incrostanti CaCO3 carbonato di calcio MgCO3 carbonato di magnesio Ca(HCO3)2 bicarbonato di calcio Mg(HCO3)2 bicarbonato di magnesio CaSO4 solfato di calcio MgSO4 solfato di magnesio CaCl2 cloruro di calcio MgCl2 cloruro di magnesio silicati e silice Questi sali sono disciolti, ma in caldaia, per effetto della temperatura, si depositano sui tubi e sul focolare, formando incrostazioni, che provocano il surriscaldamento localizzato delle lamiere, con il rischio di rotture. Oltre alle incrostazioni, queste reazioni chimiche, producono degli acidi, che corrodono le tubazioni. Le reazioni d’incrostazione - Il bicarbonato di calcio si scinde divenendo: Ca(HCO3)2 entro i 100°C = CaCO3↓ + CO2↑ + H2O Tutti i bicarbonato precipitano entro i 100°C, liberando CO2 sotto forma di gas che non fa danni fino a quando non entra nella rete condense, poiché condensando diventa acido carbonico, il quale corrode le tubazioni, portando attraverso il recupero condense, l’ossido di ferro (ruggine) in caldaia. - Il solfato di calcio CaSO4 + H2O a più di 100°C = = Ca(OH)2↓ idrato di calcio + H2SO4 acido solforico 72 - Il cloruro di calcio CaCl2 + H2O entro i 160 – 180°C = = Ca(OH)2↓ + Hcl acido cloridico La stessa cosa vale per il magnesio Gli acidi rimangono incastrati sotto l’incrostazione, dando inizio alle corrosioni Da ciò si deduce che in una caldaia a vapore avremo tutti e tre i tipi d’ incrostazione. I silicati e la silice, in presenza di magnesio, diventano dei cementanti, cioè rendono più dure le incrostazioni, le quali sono molto difficili da eliminare, ci vuole un trattamento chimico di 6- 12 mesi per renderle amorfe, dopodiché si può eseguire un lavaggio chimico. I silicati e la silice però in caldaia cristallizzano diventando abrasive e volatili, quindi mescolandosi con il vapore danno problemi a valvole e tubazioni e alle turbine. Definizione di durezza dell’acqua I sali incrostanti presenti nell’acqua costituiscono la caratteristica che viene definita durezza dell’acqua (sali e ossidi di calcio e magnesio). Si definisce dolce un’acqua con pochi di questi sali e dura un’acqua con molti di questi sali. La durezza si divide in due tipi: durezza temporanea o carbonatica dovuta ai bicarbonati di calcio e magnesio → sali che si depositano formando incrostazioni entro i 100°C contengono il gruppo CO3 in forma di - carbonato: contiene un gruppo CO3 - bicarbonato: contiene il gruppo HCO3 CaCO3 carbonato di calcio MgCO3 carbonato di magnesio Ca(HCO3)2 bicarbonato di calcio Mg(HCO3)2 bicarbonato di magnesio 73 durezza permanente o non carbonatica (cloruri e solfati) di calcio e magnesio → sali che si depositano formando incrostazioni al di sopra dei 100°C CaSO4 solfato di calcio MgSO4 solfato di magnesio CaCl2 cloruro di calcio MgCl2 cloruro di magnesio Silicati durezza totale è la somma delle due durezze, cioè il totale dei sali di Ca e Mg disciolti: carbonati, bicarbonato, cloruri e solfati Le unità di misura più usate per la durezza: - p.p.m. o mg/l di CaCO3 - grado francese °Fr ( 1 °Fr = 10 ppm di CaCO3) → fattore di conversione ( 1°Fr = 0,56°d) esistono anche: - grado tedesco °d ( 1°d = 17,85 ppm di CaCO3) → fattore di conversione ( 1°d = 1,79°Fr) - mval/l ( meno usati) Il più usato è il grado francese (°Fr) TABELLA Equivalenze tra i gradi di durezza Francese (°Fr) Tedesco (°d) mval/l ppm CaCO3 grado francese 1 0,56 0,2 10 grado tedesco 1,79 1 0,36 17,85 mval/l 0,1 2,8 1 50 ppm CaCO3 0,1 0,056 0,02 1 Effetti sugli impianti delle sostanze contenute nell’acqua Gli effetti che l’acqua non adeguatamente trattata può causare alle membrature con le quali essa viene a contatto sono: incrostazioni, corrosioni e fragilità caustica. Le incrostazioni in caldaia provocano: - Abbassamento del rendimento - Aumento della temperatura dei fumi - Surriscaldamento delle membrature - Eventuali corrosioni Perché durezza? - anomalie nel trattamento delle acque - inquinamento delle condense Le corrosioni derivano da due gas: ossigeno (corrosioni in caldaia) e anidride carbonica (corrosioni in tutta la rete vapore e soprattutto condense). Si evitano con i seguenti sistemi: - degasazione termica (termofisica) eliminazione dei gas - sostanze chimiche (catturanti o flocculanti) neutralizzazione chimica - creazione di film (magnetite) si impedisce il contatto tra il gas e il metallo della caldaia. 74 La fragilità caustica delle membrature è causata da alcalinità eccessiva, superiore ai valori consigliati in base alla pressione di esercizio Cause di una elevata alcalinità: - anomalie del trattamento dell’acqua - anomalie nel condizionamento chimico - inquinamento delle condense - regime di spurgo non corretto L’ IMPORTANZA DELLO SPURGO: LA CALDAIA E’ UN CONCENTRATORE! Ossigeno Corrosioni dovute a insufficiente degasazione o insufficiente condizionamento chimico. TDS Totale Sali Disciolti Conducibilità, trattamento difettoso e spurgo insufficiente Alcalinità e TDS con parametri fuori controllo? Spurgo e se non basta svuotamento e ripartenza con acqua ok. Riassumendo: L’acqua, contiene i sali di durezza e i gas. - corrosiva → fattori determinanti: pH, O2 e CO2 disciolti. - incrostante → fattori determinanti: sali Ca e Mg ed in certe situazioni la silice Inoltre i sali → schiumeggiamenti, ebollizione tumultuosa, trascinamenti e scadimento del titolo e l’infragilimento caustico delle membrature. TRATTAMENTI DELL’ACQUA - Fino a 30 bar (tubi da fumo) addolcimento ed osmosi. - Oltre i 30 bar (tubi d’acqua…..turbine…..centrali termoelettriche) demineralizzazione. Filtrazione meccanica, quindi: pretrattamenti, prima che l’acqua entri in caldaia (impianti di trattamento delle acque). trattamenti interni, in caldaia (condizionamento chimico) Pretrattamenti relativamente ai gas: Degasazione termica → a pressione atmosferica o in pressione (98°-130°C) Addolcimento → sostituzione dei sali di calcio e magnesio incrostanti presenti nell’acqua con sali di sodio non incrostanti. Demineralizzazione → eliminazione di tutti i sali presenti nell’acqua, tramite due scambi ionici successivi con (piccoli impianti anche senza) interposta torre di decarbonatazione (eliminazione per strippamento della CO2). Schema classico: 1. Colonna cationica forte in ciclo acido, toglie i cationi e crea acidi (trasforma i sali in acidi). 2. Torre di decarbonatazione. 3.Colonna anionica forte in ciclo di soda caustica, toglie tutti gli anioni (cloruri, solfati e silicati) trasforma gli acidi in acqua. → si può prevedere anche un “letto misto” in coda. 75 Osmosi inversa → passaggio attraverso la membrana di acqua ma non di sali. Necessita di pressioni rilevanti. Con un impianto di trattamento ad osmosi, si elimina circa il 95% dei sali presenti nell’acqua. Trattamenti interni - correzione del pH - eliminazione dell’ossigeno - stabilizzazione dell’ossigeno - creazione di film protettivo di magnetite Per il dosaggio preciso dei condizionanti, si utilizzano solitamente pompe per portate piccole e precise a membrana o peristaltiche. Impianto di addolcimento 76  Impianto di demineralizzazione Na+ → Sodio HCO3- → Bicarbonato Ca++ → Calcio CO3- - → Carbonato Mg++ → Magnesio SO4- - → Solfato Cl- → Cloruro Possibili combinazioni: MgCl2 → Cloruro di Magnesio MgSO4 → Solfato di Magnesio MgCO3 → Carbonato di Magnesio Mg(HCO3)2 → Bicarbonato di Magnesio CaCl2 → Cloruro di calcio CaSO4 → Solfato di Calcio CaCO3 → Carbonato di calcio Ca(HCO3)2 → Bicarbonato di calcio NaCl → Cloruro di Sodio Na2SO4 → Solfato di Sodio Na2CO3 → Carbonato di Sodio NaHCO3 → Bicarbonato di 77 COMPITI DEL CONDUTTORE Presa in consegna del generatore: Prendere visione del libretto e dei verbali allegati, ed accertarsi che sia in regola con le verifiche. Inizio turno: Prendere le consegne dal turno precedente, ed accertarsi che sia tutto in ordine, il cambio turno deve avvenire in centrale termica Avviamento: Fase più delicata e più pericolosa per il generatore: Partenza a carico minimo (portata minima del bruciatore), e aumento della temperatura non troppo rapido, per evitare eccessive dilatazioni localizzate. In questa fase, si consiglia la partenza non in automatico, e sfiato dell’aria dalla camera vapore. Lo sfiato aria verrà chiuso dopo che sarà stato spurgato un bel po’ di vapore. A bassa pressione (all’inizio della pressurizzazione), controllare le apparecchiature di controllo, regolazione ed eventuali tenute da flangie e passo d’uomo. A regime: Apertura della valvola di mandata vapore, molto, molto lentamente (tubazioni fredde, forte condensazione, rapida dilatazione, colpi d’ariete). CONTROLLI DA EFFETTUARE E PROVE DI PREVENZIONE Strumento Frequenza V.d.S. 1 volta al mese (1-2 volte anno prove di taratura) Indicatori di livello 1 volta per turno Livellostati di regolazione 1 volta per turno Livellostati di blocco 1 volta a settimana Mezzi d’alimentazione 1 volta al mese (2° mezzo) Fotocellule, fotoresistenze sonda 1 volta a settimana ionizzatrice Elettrovalvole di blocco combustibile Periodicamente Lavaggio del bruciatore (in C.C.) Periodicamente 128 INTERVENTI DI EMERGENZA Abbassamento del livello minimo: 1. Si vede ancora acqua − Bloccare il bruciatore − Chiudere la presa vapore − Spegnere la pompa d’alimentazione Verificare la causa e verificare il livello. 2. NON si vede più acqua − Bloccare il bruciatore − Chiudere la presa vapore − Spegnere la pompa d’alimentazione Verificare la causa, aprire la caldaia e controllare presenza eventuale di deformazioni. Nel dubbio sulla resistenza della struttura, è meglio avvertire l’I.S.P.E.S.L. e richiedere una verifica. 129