Presentazione

Organizzazione della Didattica

DM270
SCIENZE E TECNOLOGIE PER L'AMBIENTE


8

Corsi comuni

 

Frontali Esercizi Laboratorio Studio Individuale
ORE: 64 0 0 136

Periodo

AnnoPeriodo
III anno2 semestre

Frequenza

Obbligatoria

Erogazione

Convenzionale

Lingua

Italiano

Calendario Attività Didattiche

InizioFine
02/03/201512/06/2015

Tipologia

TipologiaAmbitoSSDCFU
baseDiscipline chimicheCHIM/022
baseDiscipline chimicheCHIM/032
caratterizzanteDiscipline agrarie, chimiche, fisiche, giuridiche, economiche e di contestoCHIM/014


Responsabile Insegnamento

ResponsabileSSDStruttura
Dott. FREZZATO DIEGOCHIM/02Dipartimento di Scienze Chimiche

Altri Docenti

DocenteCoperturaSSDStruttura
Dott. ZERBETTO MIRCOIstituzionaleN.D.

Attività di Supporto alla Didattica

Non previste.

Bollettino

E' auspicabile che lo studente abbia già acquisito confidenza con metodi matematici basilari (calcolo vettoriale e matriciale, derivate ordinarie e derivate parziali di funzioni di più variabili, integrazione), e con i concetti della Termodinamica di equilibrio. Un richiamo ai concetti essenziali viene comunque fatto nella parte introduttiva dell'insegnamento.

L'obiettivo è rendere lo studente consapevole che la descrizione della dinamica di inquinanti nell'ambiente richiede un'analisi quantitativa che parte dalla semplificazione ragionevole del problema reale (complesso e intrattabile nei minimi dettagli), si sviluppa con la modellizzazione teorica del problema semplificato (costruzione e parametrizzazione delle appropriate equazioni differenziali), e si conclude con la trattazione numerica (soluzione delle equazioni) mediante opportuni strumenti computazionali. Lo studente avrà chiaro tale obiettivo e conoscerà le basi dei metodi per raggiungerlo. In particolare, egli avrà chiara l’idea che esiste una gerarchia di approcci di complessità crescente, ognuno dei quali può essere più o meno adeguato per trattare lo specifico problema; lo studente avrà quindi acquisito spirito critico e sensibilità per valutare l’adeguatezza dei vari approcci. Sarà inoltre a conoscenza dei principi teorici che sono implementati nei comuni software per monitorare/predire la dinamica degli inquinanti, e, nel caso egli si trovasse ad utilizzarli, sarà in grado di gestire con consapevolezza i parametri richiesti in input. Inoltre lo studente potrà affrontare pubblicazioni scientifiche nel settore, avendo acquisito la terminologia convenzionale.

Il corso consta di lezioni frontali in cui due docenti si alternano sviluppando i blocchi tematici (Frezzato) e svolgendo esercitazioni (Zerbetto). Le lezioni sono svolte con l'ausilio di "slides" precedentemente caricate sulla pagina web del docente di riferimento. Le spiegazioni vengono coadiuvate da esempi pratici ed esercizi numerici cercando di stimolare l'intervento degli studenti. Alcune esercitazioni vengono svolte in sala di informatica con PC a disposizione di ogni studente.

- Concetti essenziali di Termodinamica di equilibrio. - Ripartizione di specie tra varie fasi-compartimenti in condizioni di equilibrio: aria, aerosol, acqua, sospensioni in acqua, biota acquatico, sedimenti, suolo, biota terrestre. Coefficienti di ripartizione. Dati sperimentali ed esercizi numerici. - Richiami di cinetica chimica: velocità di reazione, legge cinetica, meccanismo di reazione, legge di Arrhenius. - Trasferimento inter-compartimento. Bilanci di massa. Classificazione di Mackay (tre livelli di complessità). Esercitazioni al calcolatore. - Introduzione al trasporto di inquinanti all’interno del singolo compartimento. Classificazione dei processi di trasporto: “advection”, dinamiche locali (diffusione molecolare, turbolenza, dispersione fluidodinamica), processi reattivi, contributi di "source-sink". - Costruzione dell’equazione ADR (Advection-Diffusione-Reazione) per l’evoluzione temporale della concentrazione locale di inquinante. Definizione del vettore flusso di materia. Sviluppo dei singoli termini della ADR. - Trasporto locale per diffusione molecolare. Descrizione del processo su basi statistiche (moto browniano) e termodinamiche (cenno alla termodinamica di non-equilibrio). L’equazione di diffusione. Diffusione in mezzi inomogenei/anisotropi, omogenei/anisotropi, omogenei/isotropi. Soluzione analitica in fase omogenea/isotropa non confinata. Relazione tra coefficiente di diffusione e scostamenti quadratici medi delle molecole. Diffusione in fase liquida, legame tra coefficienti di diffusione e attrito viscoso, relazione di Stokes-Einstein. Diffusione in fase gassosa. Tabelle di dati sperimentali, esercizi numerici. - Turbolenza in compartimenti fluidi. Fenomenologia dei vortici, cenni alla teoria di Kolmogorov. Turbolenza negli strati bassi dell’atmosfera. Effetto della turbolenza del mezzo sulla dinamica dell’inquinante: derivazione di un contributo di tipo diffusivo (“diffusione turbolenta) nell’equazione ADR. Coefficienti di diffusione vorticosa e loro determinazione col metodo dei traccianti. Modelli teorici e fenomenologici per la dispersione in aria. Turbolenza e dispersione idrodinamica nelle acque superficiali (oceani, baie, laghi, corsi d’acqua). Modelli di dispersione gaussiana con trascinamento ("Gaussian Plume Models"). Soluzione numerica della dispersione turbolenta verticale in aria. Esercitazioni. - Dinamica degli inquinanti nelle acque sotterranee. Stratificazione sotterranea, zona satura e zona insatura. Carico di pressione, carico idraulico, legge di Darcy, permeabilità del terreno. Advection nelle regioni satura e insatura. Dispersione idrodinamica. Effetti ritardanti dovuti a ripartizione dell’inquinante tra matrice solida, acqua e aria. Esercizi numerici. - Peso dei vari contributi nell’equazione ADR. Numeri di Peclet e di Damkoehler. Il “raccordo” alle interfacce. - Trasporto di inquinante su ampia scala. Cenni di meccanica dei fluidi. Equazioni di Navier-Stokes. Cenni ai metodi numerici di soluzione, metodo degli "elementi finiti". Modelli di trasporto in aria, circolazione atmosferica, venti. Trasporto in acque superficiali. Cenno ai software di largo utilizzo. Dimostrazioni.

L'esame consiste in un colloquio orale.

Viene valutata la capacità di sintesi dello studente e la proprietà di linguaggio. La valutazione positiva è assegnata allo studente in grado di andare oltre la pura catalogazione di aspetti qualitativi, e che riesce a porsi in un'ottica di analisi quantitativa della dinamica degli inquinanti. Posto di fronte ad un problema pratico, lo studente deve dimostrare di sapere isolare i tratti essenziali che delineano un plausibile modello teorico.

Anu Ramaswami, Jana B. Milford, Mitchell J. Small, Integrated Environmental Modeling - Pollutant Transport, Fate, and Risk in the Environment. Hoboken (New Jersey): Wiley, 2005 John S. Gilliver, Introduction to Chemical Transport in the Environment. New York: Cambridge University Press, 2007 Donald Mackay, Multimedia Environmental Models - The fugacity Approach (2nd Ed.). : CRC Press - Taylor & Francis Group, 2001

Oltre ai testi consigliati per approfondimenti, il principale materiale di studio è costituito dalle "slides" di lezione interamente preparate dai docenti. Pur ispirandosi ai testi consigliati, tale materiale riflette il punto di vista dei docenti sulla materia, e fornisce un quadro organico auto-consistente e rigoroso sull'approccio formale alle tematiche.