Ingegneria Chimica Ambientale

Fluidi. Quando parliamo di fluidi omogenei spesso si pensa ad un liquido, ma in realtà si fa riferimento a due classi ben precise: i liquidi ed i gassosi. Lo stato della sostanza viene identificato da pressione e temperatura e da curve di equilibrio, non sempre, però, siamo in grado di fare una netta distinzione tra queste due classi.

Diagramma di stato. Il grafico in Fig. 1 nasce dalle misure delle tensioni di vapore del solido puro con temperatura minore del punto triplo e del liquido puro con T maggiore del punto triplo. Il diagramma ci mostra tre curve:

1. Curva di sublimazione (solido);
2. Curva di vaporizzazione (tensione di vapore liquidi);
3. Curva di fusione (relazione liquido – solido);

Se ci muoviamo sulle curve ci troviamo in condizioni di coesistenza di due fasi, in pratica sono il limite delle fasi singole. Le tre curve si incontrano nel punto triplo (Tt,Pt). Dal diagramma notiamo un’altra caratteristica interessante: mentre la curva di fusione tende all’infinito, la curva di vaporizzazione si arresta nel punto C (critico). Le coordinate di C sono Pc, detta pressione critica e Tc, detta temperatura critica. Non sono altro che la pressione e la temperatura più alte per la coesistenza liquido-vapore.

Osservazione sulla tensione di vapore. Tenendo conto dello stato critico, quindi, possiamo affermare che per T > Tc non si ha equilibrio liquido – vapore, ciò significa che in questo caso non ha senso parlare di tensione di vapore. Ovvero: la tensione di vapore esiste solo per T < Tc.

Regione dei fluidi. Una zona interessante del diagramma è l’area delimitata da T > Tc e P > Pc, detta “regione dei fluidi”. Un liquido è definito tale quando può essere vaporizzato tramite una riduzione di P a T costante; un gas è definito tale se può essere condensato diminuendo la T a P costante. Nella regione dei fluidi non si possono avere le due condizioni prima specificate, quindi non si ha né un gas né un liquido.

Isoterme. Supponiamo di tagliare il diagramma in Fig. 1 con un piano ortogonale all’asse T, in pratica otteniamo delle isoterme come in Fig. 2.

Il diagramma è stato preso per le sezioni a destra della zona solida. T1 e T2 sono maggiori della Tc e non attraversano un confine di fase; T3 e T4, invece, sono minori della Tc ed hanno una forma particolare: prima verticali (V costante, P variabile) che rappresenta la fase liquida (il volume del liquido varia poco); poi orizzontali (P costante, V variabile) che rappresenta la zona di equilibrio Liquido – Vapore. In questo secondo caso, la P costante è proprio la tensione di vapore. nel diagramma in Fig 1, la tensione di vapore era data dall’intersezione tra l’isoterma (linea verticale) considerata e la curva di vaporizzazione.

I due estremi della linea orizzontale (L + V) rappresentano le due condizioni di equlibrio limite: tutto liquido; tutto vapore. Se uniamo tutti questi punti estremi si ottiene la campana ACB. AC è la curva di liquido saturo, CB è la curva di vapore saturo. A sinistra della campana si ha l’area liquida, a destra l’area gas. Le linee orizzontali (L + V) tendono a ridursi in prossimità di C (punto critico). L’isoterma che passa per C ha, in questo punto, un flesso che non permette di distringuere gli stati L o V perché hanno le stesse caratteristiche.

Fluido incomprimibile. Il tratto dell’isoterma nella sezione liquida, che abbiamo visto essere verticale, suggerisce che il volume del liquido, al variare della pressione, varia in modo infinitesimale. Da qui l’assunto della meccanica dei fluidi che vede il liquido come un “fluido incomprimibile”.

Equazione di stato. Se facciamo riferimento alle regioni del diagramma in Fig. 2 dove ho una singola fase, si ha una relazione tra P, V e T, tale che:

(1) ;

La (1) esiste per ogni fluido omogeneo ed è detta “equazione di stato”.

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