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BLOG ANSYS

March 10, 2020

Nozioni di base sulla cinetica chimica: tutto ciò che devi sapere

I consumatori si aspettano che i loro prodotti siano ecologici, duraturi e biocompatibili. Di conseguenza, gli ingegneri dovranno rispolverare i loro vecchi libri di testo di chimica.

Questo perché la cinetica chimica e la termodinamica possono influire sulle prestazioni di quasi tutti i prodotti. È attivo nell'atmosfera, nella produzione di energia, nella produzione, nella microelettronica e nella lavorazione dei materiali.

È anche responsabile della ruggine e della calcificazione che riducono la durata dei nostri progetti.

Utilizzando la cinetica chimica e la termodinamica,
gli ingegneri riducono il numero di
inquinanti creati dai loro disegni

Persino il nostro pianeta e ogni creatura su di esso, sono fabbriche biochimiche. Quindi, la cinetica chimica e la termodinamica aiutano a determinare se un prodotto è biocompatibile e privo di inquinanti.

Per aiutare gli ingegneri a progettare prodotti per i consumatori di oggi, ecco un aggiornamento chimico sui processi che producono, alimentano e invecchiano i progetti.
 

Cos'è la cinetica chimica?

La cinetica chimica ci dice la velocità con cui le specie chimiche si trasformano in nuove sostanze rompendo e riformando i loro legami molecolari. In altre parole, studia i tassi e i processi delle reazioni chimiche.

La cinetica chimica studia la velocità delle reazioni mentre la termodinamica
studia se la reazione avverrà e in quale direzione

Va notato che la cinetica chimica differisce dalla termodinamica della chimica. La cinetica determina come e quanto velocemente ci si arriva, mentre la termodinamica determina la direzione in cui si sta andando e dove si finisce alla fine.

Pensa così: se le sostanze chimiche sono in equilibrio termodinamico non ci sarà alcuna reazione, anche se la cinetica indica che esistono percorsi di reazione.
 

Cos'è l'Energia libera di Gibbs o Energia Potenziale Chimica?

Tutto ha energia potenziale. Una mela nell'albero ha il potenziale di cadere. Quando cade, la sua energia potenziale gravitazionale viene convertita in energia cinetica.

Potete pensare alla termodinamica della chimica allo stesso modo. L'energia libera di Gibbs, nota anche come energia potenziale chimica, ti dice se le specie chimiche si trasformeranno in altre specie.

Ogni miscela chimica ha un'energia libera di Gibbs diversa a seconda della sua temperatura, pressione e composizione. Conoscere il valore potenziale di ciascuna specie in una reazione chimica consente agli ingegneri di determinare se e come reagiranno.

L'energia libera di Gibbs può essere utilizzata per
valutare la capacità di una reazione
procedere in entrambe le direzioni.

Se l'energia potenziale dei prodotti è maggiore dei reagenti, esiste una barriera per tale reazione. Se l'energia potenziale dei prodotti è inferiore ai reagenti, la reazione avverrà.

Proprio come la mela che cade dall'albero, la natura vuole spostare la reazione a un punto che minimizzi l'energia potenziale.

Pertanto, se un ingegnere volesse spingere una reazione di equilibrio per produrre un determinato prodotto, potrebbe manipolare il potenziale chimico della loro miscela chimica alterando la temperatura, la pressione e le concentrazioni di specie.
 

Che cos'è un'equazione cinetica e in che modo si relaziona all'ordine di reazione?

Le leggi sulla velocità e gli ordini di reazione descrivono reazioni chimiche elementari.

Queste reazioni reversibili possono comportare:

  • Una singola molecola che si decompone in nuove specie
  • Due molecole/atomi che si scontrano e si riorganizzano per formare nuove specie
  • Due molecole/atomi che entrano in collisione con l'influenza di un terzo corpo per formare nuove specie

La velocità di questa reazione è
dipendente dalla concentrazione
di molecole rosse e gialle

L'ordine di reazione si riferisce al numero di specie chimiche coinvolte come reagenti.

Le reazioni unimolecolari, in cui una molecola cade a pezzi, hanno un ordine di reazione di uno. Le reazioni che richiedono due molecole/atomi per entrare in collisione hanno un ordine di due e così via.

Per le reazioni non elementari (spesso chiamate «globali»), l'ordine di reazione può essere determinato empiricamente.

zA + yB +... + aZ = Prodotti

Rate = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙... ∙ [Z]a

La velocità dipende da una costante (k), dalle concentrazioni dei reagenti ([A], [B] e [Z]) e dall'ordine di reazione (z, y e a). Il valore di k può essere determinato computazionalmente o empiricamente. Le sue unità si basano sull'equazione bilanciata della reazione chimica e cambieranno a seconda dell'ordine di reazione. Il modo più semplice per ricordarli è notare che le unità della tariffa sono sempre le stesse.

Non è pratico determinare il valore di k per ogni reazione, mediante misurazione o dinamica molecolare computazionale. Fortunatamente, gli ingegneri possono dedurre la velocità di reazioni sconosciute sulla base di una libreria di valori di velocità per reazioni note. Quindi, studiando e classificando le reazioni elementari, gli scienziati hanno sviluppato regole di velocità per stimare altre reazioni.

Altri fattori che possono influenzare la velocità di reazione includono:

  • Temperatura
  • Pressione
  • Luce (per reazioni fotolitiche)
  • Elettromagnetismo (per reazioni al plasma o elettrochimiche)
  • Lo stato delle specie chimiche: solido, liquido o gassoso
  • Presenza di catalizzatori
  • Dimensione e struttura molecolare
  • Copertura superficiale
  • Dimensione delle particelle

Che cos'è una reazione globale?

Spesso, i libri di testo di ingegneria chimica elencano una reazione globale così come farebbero con le reazioni elementari:

zA + yB +... + aZ = Prodotti

In realtà, questa reazione potrebbe avere migliaia di sottoreazioni elementari che si verificano per fasi. La reazione complessiva, quando tutte le reazioni elementari vanno a compimento, può quindi essere semplificata nelle componenti A, B, C e D di cui sopra.

I test fisici e le geometrie complesse rendono difficile
ottimizzare le reazioni complesse. Tuttavia, la simulazione può semplificare
la valutazione di questi sistemi

Alcune di queste sottoreazioni potrebbero non dipendere dalla pressione o dalla temperatura. Altre potrebbero essere piuttosto complesse, avendo bisogno di tre o più specie per entrare in collisione prima di reagire. Altre possono essere accelerate introducendo un catalizzatore per forzare il sistema a preferire determinati percorsi di reazione.

Tuttavia, ciascuna di queste sottoreazioni può influenzare la velocità della reazione complessiva in vari modi. I libri di testo possono insegnare agli ingegneri a combinare reazioni elementari per dare un senso alla reazione generale. Tuttavia, quando si hanno centinaia di specie e migliaia di reazioni, il processo è troppo complesso per essere manipolato dall'essere umano medio.

Tradizionalmente, gli ingegneri erano costretti a determinare sperimentalmente la velocità di reazioni complesse. Oggigiorno, è facile utilizzare la simulazione per studiare queste reazioni al fine di trovare la temperatura, la formula di processo o la pressione ottimali per spostare il sistema verso percorsi dominanti specifici.
 

In che modo gli ingegneri possono utilizzare la cinetica chimica e la termodinamica per progettare prodotti migliori?

Per capire come questa chimica possa ottimizzare i prodotti, diamo un'occhiata a un esempio reale come la riduzione delle emissioni dei motori.

La conversione del carburante in anidride carbonica, acqua e particelle varie alimenta la vita di tutti i giorni. Tuttavia, gli effetti serra e sulla salute dei prodotti finali non possono essere ignorati.

Attraverso l'uso della cinetica chimica e della termodinamica, gli ingegneri possono controllare il modo in cui il carburante brucia per ridurre il rilascio di alcuni inquinanti.

Cinetica chimica e termodinamica
possono aiutare gli ingegneri a progettare
motori e reattori migliori

La chiave è controllare la temperatura, la pressione e le miscele d'aria nel motore in modo che dominino i processi che producono più energia, con il minor numero di inquinanti.

La sfida è che la benzina non è una specie chimica monolitica. È costituito da una distribuzione di sostanze che possono variare di concentrazione in base alla posizione, alla stagione e ai processi di produzione. Di conseguenza, gli ingegneri devono progettare il motore che funzioni con una varietà di carburanti.

Ci sono migliaia di reazioni in gioco all'interno del motore, che lo rendono un sistema complesso. Pertanto, il modo migliore per controllare quali processi dominano è utilizzare la simulazione.

Le simulazioni possono valutare tutte le potenziali reazioni chimiche includendole in una simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) del motore. Gli ingegneri possono quindi utilizzare queste simulazioni per modificare e ottimizzare i progetti fino a quando i processi target dominano.

Gli ingegneri possono anche aggiungere altri aspetti del motore alla simulazione per studiare i compromessi di efficienza del motore, gli effetti del carburante, il trasferimento di calore e altro ancora. Di conseguenza, sono in grado di ottimizzare una pletora di progetti di reattori chimici.

Per saperne di più, leggi Ansys Chemkin-Pro e guarda il webinar: Uso della chimica dettagliata in Ansys Chemkin -Pro per simulazioni più accurate della combustione CFD e del flusso di reazione.

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