L'alluminio, elemento chimico con simbolo Al e numero atomico 13, è un metallo leggero e resistente, ampiamente utilizzato in diverse applicazioni industriali e quotidiane. Una delle sue caratteristiche più interessanti è la capacità di sviluppare energia sotto forma di calore durante vari processi, come la fusione o la reazione con altri elementi.
Importanza del Calcolo del Calore Sviluppato
Il calcolo del calore sviluppato da un elemento in alluminio è fondamentale per comprendere il suo comportamento termico e le sue applicazioni. Il calore specifico dell'alluminio, che rappresenta la quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di 1 kg di materiale, è un dato cruciale in questo contesto.
Inoltre, durante la fusione, l’alluminio assorbe una quantità significativa di energia. Il calore latente di fusione dell’alluminio è di circa 397 J/g, un valore importante per i processi industriali che sfruttano la fusione e la solidificazione dell’alluminio per creare leghe o componenti con specifiche proprietà meccaniche e termiche.
Metodologie di Misurazione
La misurazione del calore sviluppato dall’alluminio richiede tecniche precise e strumentazione specifica. La calorimetria differenziale a scansione (DSC) è una delle metodologie più accurate per determinare il calore specifico di un materiale. Questa tecnica misura la differenza di energia necessaria per aumentare la temperatura di un campione e di un riferimento sotto le stesse condizioni.
Un altro metodo impiegato è l’analisi termogravimetrica (TGA), che, sebbene sia più comunemente usata per studiare la decomposizione termica, può fornire dati utili anche sulla perdita di massa dell’alluminio dovuta al riscaldamento, offrendo indirettamente informazioni sulle sue proprietà termiche.
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Implicazioni Energetiche e Sostenibilità
L’uso dell’alluminio ha significative implicazioni energetiche, soprattutto in settori come il trasporto e l’edilizia, dove la leggerezza e la resistenza del materiale contribuiscono alla riduzione del consumo energetico. D’altra parte, la produzione di alluminio è un processo ad alta intensità energetica, principalmente a causa dell’elevata energia richiesta per l’elettrolisi dell’allumina durante la produzione primaria.
Il calcolo del calore sviluppato dall’alluminio e la comprensione delle sue proprietà termiche sono essenziali per ottimizzare l’uso di questo materiale in numerose applicazioni. Le metodologie di misurazione avanzate offrono la precisione necessaria per caratterizzare l’alluminio, mentre le implicazioni energetiche del suo utilizzo evidenziano l’importanza di pratiche sostenibili come il riciclo.
Caratteristiche Fisiche e Chimiche dell'Alluminio
Il metallo alluminio, il cui nome deriva da allumina, uno dei suoi minerali, fu preparato per la prima volta da H.C.Oersted nel 1825. L'alluminio, dopo l'ossigeno e il silicio, è l'elemento più abbondante nella litosfera, di cui costituisce circa l'8%. È presente in forma di silicati e di ossidi in molti minerali della crosta terrestre ad esempio nei feldspati, miche, argille e corindone.
È un metallo di colore bianco argenteo, ottimo conduttore di elettricità e di calore, leggero (ha peso specifico pari a circa un terzo di quello del ferro), duttile e malleabile. Con i sali di mercurio forma facilmente un amalgama che decompone l'acqua con svolgimento di idrogeno.
Composti Importanti dell'Alluminio
- Ossido di alluminio (Al2O3): comunemente denominato allumina, base di partenza per la produzione industriale dell'alluminio.
- Idrossido di alluminio (Al(OH)3): esiste in varie forme cristalline (idrargillite, bayerite ecc.) oltreché sotto forma di gel amorfo.
- Cloruro di alluminio (AlCl3): è il più importante degli alogenuri di alluminio; è un solido bianco igroscopico che fuma all'aria, fortemente idrolizzato in soluzione acquosa dove libera HCl. A temperatura ambiente ha formula corrispondente al dimero Al2Cl6, a struttura ionica; in alcuni solventi capaci di coordinarsi (per esempio etere e piridina) e a elevate temperature si ha la dissociazione in molecole AlCl3. Si ottiene industrialmente per reazione diretta tra cloro e alluminio fuso.
- Solfato di alluminio [Al2(SO4)3]: esiste in natura come idrato e sotto forma di solfati doppi; è un sale molto solubile in acqua dove è fortemente idrolizzato. Dalle soluzioni acquose cristallizza generalmente l'idrato Al2(SO4)3·18H2O, ma si conosce l'esistenza di altri idrati contenenti da 6 a 27 molecole di acqua.
- Alluminoalchili: sono composti metallorganici che contengono almeno un legame covalente alluminio-carbonio. Noti da tempo, hanno assunto importanza industriale solo negli ultimi decenni soprattutto quali componenti (generalmente associati a sali di titanio o vanadio) dei sistemi catalitici (cosiddetti Ziegler-Natta) utilizzati per la polimerizzazione degli alcheni. Sono impiegati inoltre come reattivi alchilanti in molte sintesi organiche.
Leghe di Alluminio e Alluminotermia
Le caratteristiche meccaniche dell'alluminio puro (in particolare il carico di rottura a trazione) sono piuttosto scadenti, ma possono essere radicalmente migliorate nelle leghe con altri metalli; per esempio per alcune leghe Al-Zn-Mg-Cu si possono raggiungere valori del carico di rottura paragonabili a quelli dell'acciaio. Per tali motivi il 60% circa della produzione di alluminio viene impiegato in leghe, soprattutto con Mg, Si e Cu.
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Sfruttando la sua elevata elettropositività, l'alluminio viene utilizzato anche nel processo chiamato alluminotermia. Questo processo consente di preparare metalli puri (Fe, Cr, Mn, W, ecc.) partendo dai loro ossidi.
Produzione Industriale dell'Alluminio
La quasi totalità dell'alluminio viene attualmente prodotta per elettrolisi di allumina fusa (ossido di alluminio, Al2O3) a elevata purezza (ca. 99,5%) in criolite fusa, a circa 1000 °C (processo Hall-Héroult). Il processo consta sostanzialmente di due fasi:
- preparazione dell'allumina pura;
- riduzione dell'allumina ad alluminio per elettrolisi "ignea".
Le celle elettrolitiche in acciaio sono rivestite internamente di refrattario e quindi di carbone coke, quest'ultimo elettricamente collegato alle barre portacorrente catodiche; lo strato di alluminio fuso presente sul fondo costituisce quindi il catodo (elettrodo negativo). L'anodo, in carbone coke molto puro, può essere costituito da blocchi compatti alti circa 50 cm ottenuti da una miscela di coke e bitume pressata e "cotta" a ca 1200 °C in assenza di aria; dato il notevole consumo, gli anodi devono essere frequentemente regolati e sostituiti.
II processo è molto dispendioso dal punto di vista energetico: occorrono ca 20 kWh per ottenere 1 kg di alluminio da 2 kg di allumina. Per talune applicazioni particolari è necessaria un'ulteriore raffinazione per via elettrolitica, operando con il cosiddetto processo "a tre strati" dal quale si possono ottenere tre varietà commerciali di alluminio raffinato a titoli rispettivamente di 99,99% (denominazione commerciale Raffinal), 99,999% e 99,9999%.
Proprietà Termiche dell'Alluminio
- Punto di fusione: 658°,7
- Punto di ebollizione: superiore a 1800°
- Calore latente di fusione: 9495 cal./gr.
- Ritiro lineare: 1,7 ÷ 1,8%
- Coefficiente dl dilatazione lineare fra 0° e 100°: 0,0000238
- Calore specifico (da 20° a 100°): 0,217 cal./gr.
- Conducibilità termica: 0,50 cal./cm. sec. °C.
- Aumento di volume dallo stato solido allo stato liquido: circa 6,5%
Calore Specifico: Definizione e Misura
Consideriamo per esempio una massa di ferro di 1 kg che subisce un innalzamento di temperatura pari a 1 kelvin (K). Il calore specifico è una proprietà intensiva (e quindi caratteristica per ogni sostanza) e varia lievemente con la temperatura. La sostanza con il più alto calore specifico è l'acqua (Cs = 4180 J·kg-1·K-1).
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I valori del calore specifico dei solidi tendono a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto. Spesso il calore specifico è invece espresso in J/(g·°C). Talvolta il calore viene espresso in calorie e quindi il calore specifico può essere espresso in cal/(g·K). Infatti 1 cal = 4,184 J.
Il calore specifico lo ritroviamo nella legge fondamentale della termologia. La formula di tale legge permette di calcolare la quantità di calore che bisogna somministrare (o sottrarre) ad un corpo di massa m per innalzare (o abbassare) la sua temperatura dal valore iniziale t1 al valore finale t2.
Come si può notare dalla tabella, il calore specifico del rame è piuttosto basso; basta poca energia per ottenere un grande aumento di temperatura. Il calore specifico dell'acqua invece è molto elevato: occorre cioè molta energia per ottenere piccoli incrementi di temperatura.
Per questa sua proprietà, l'acqua dei grandi bacini, laghi e mari, di giorno si comporta come un grande "serbatoio termico", rilasciando l'enorme quantità di calore la notte e mitigano così il clima.
Nel caso dei gas il calore specifico a una data temperatura dipende dalle condizioni alle quali il calore è somministrato, dove R è la costante universale dei gas perfetti.