Flamma fumo est proxima (Dove c'è fumo c'è fiamma ... - Cineas

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Se manca uno dei lati del triangolo, l’incendio non si verificherà; se uno dei lati è rimosso l’incendio si estinguerà. Il triangolo del fuoco costituisce il punto di partenza per tutti i metodi di prevenzione e di lotta antincendio. Se il combustibile è un solido o un liquido deve essere preriscaldato per generare una quantità di vapori sufficiente per formare una miscela infiammabile con l’ossigeno dell’aria. 2. Stechiometria della combustione Consideriamo le reazioni di combustione completa del metano in ossigeno (1) e in aria (2): CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (1) CH4 + 2O2 + 2(3,76)N2 → CO2 + 2H2O + 2(3,76)N2 (2) Si nota che i prodotti di combustione (CO2 e H2O) sono gli stessi in entrambe le reazioni ma, nel caso dell’aria bisogna considerare anche la presenza dell’azoto che, essendo inerte, non partecipa alla reazione di combustione e si ritrova inalterato anche a destra. Poiché l’aria è costituita dal 21% di ossigeno e dal 79% di azoto è facile calcolare che per ogni mole di ossigeno presente nella reazione avremo 3,76 moli di azoto (79/21 = 3,76). Normalmente si dice che le reazioni, così come scritte sopra, sono stechiometricamente bilanciate, nel senso che il combustibile e il comburente sono presenti in un rapporto tale per cui tutto il carbonio è ossidato a CO2 e tutto l’idrogeno a H2O. In questo caso è molto facile calcolare la concentrazione stechiometrica del metano (% in vol.) e dell’aria (sempre % in vol., detta anche aria teorica). Per esempio, per la reazione (2): Le moli totali dei reagenti sono: CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2 1CH4 + 2O2 + 7,52N2 = 10,52 per cui la concentrazione stechiometrica del metano sarà 1/10,52 x 100 = 9,5 % e quella dell’aria sarà 9,52/10,52 x 100 = 90,5 %. La conoscenza delle concentrazioni stechiometriche è molto importante sia ai fini dell’ottimizzazione della combustione che per la sicurezza. Per esempio, se il rapporto tra combustibile e comburente non è quello stechiometrico (eccesso o difetto di un reagente rispetto all’altro) tra i prodotti della combustione ritroviamo il reagente in eccesso o, se l’aria è in difetto, anche dell’ossido di carbonio CO. Per quanto riguarda la sicurezza, la reazione stechiometrica, per tutti combustibili, è quella più reattiva e quindi è quella che genera la pressione d’esplosione più alta (perché è quella che genera la quantità di calore maggiore), è quella che ha l’energia di accensione e la temperatura di autoaccensione più basse, la velocità di propagazione della fiamma più alta, ecc.
3. Calore di combustione/Potere calorifico Tutte le reazioni di combustione sono chiaramente esotermiche e quindi avvengono con rilascio di calore. E’ possibile ricavare per calcolo, nei casi semplici, o sperimentalmente questa quantità di calore (calore di combustione, ΔHc). Consideriamo qualche caso semplice: • C + O2 → CO2 ΔHc = -393,50 kJ/mol • H2 + 1/2O2 → H2O ΔHc = -240,96 “ • CO + 1/2O2 → CO2 ΔHc = -283,00 “ • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(g) ΔHc = -802, 3 “ • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(l) ΔHc = -890,3 “ Il ΔHc ha sempre il segno meno. In questi casi il ΔHc può essere facilmente calcolato conoscendo i calori di formazione dei reagenti e dei prodotti (ΔHf ) e applicando la legge di Hess: ΔHc = Σ ΔHf prodotti - Σ ΔHf reagenti Molti calori di formazione si trovano in apposite compilazioni oppure sul sito http://webbook.nist.gov/chemistry. Per gli esempi precedenti i rispettivi calori di formazione sono: • C, O2, H2 (i ΔHf degli elementi, per convenzione, sono uguali a 0) • CO2 = -393,5 kJ/mol • H2O g = -241,8 “ • H2O l = -285,8 “ • CH4 = -74,8 “ Consideriamo l’ultima reazione, la combustione del metano con l’acqua allo stato liquido: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(l), per la legge di Hess avremo ΔHc = [(-393,5) + (-285,8 x2)] – [(-74,8) + (0)] = -965,1 + 74,8 = -890,3 kJ/mol Come si vede nel caso del metano (ma questo vale per tutti i combustibili che contengono idrogeno) si ottengono due valori del ΔHc secondo lo stato fisico dell’acqua che si forma tra i prodotti di combustione: liquida o allo stato di vapore (gas). La differenza è fornita dal calore di evaporazione dell’acqua (44 kJ/mol a 25°C). Nelle fiamme, negli incendi, nella maggior parte delle combustioni industriali, l’acqua rimane come vapore e, di conseguenza, è più appropriato utilizzare il dato con l’acqua come vapore. Si definisce potere calorifico di un combustibile la quantità di calore generata nella combustione totale dall’unità di peso (kg per i solidi e i liquidi) o di volume m 3 (per i gas). Per i combustibili che contengono idrogeno o umidità, si distinguono due poteri calorifici: Potere calorifico superiore, quando l’acqua è considerata allo stato liquido;
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