Elettrotecnica: la teoria dietro circuiti

Pubblicato il Luglio 5, 2024 da Giovanni

Entriamo nel vivo dell’elettrotecnica con l’introduzione ai circuiti elettrici. Si intende come circuito un insieme di componenti el3ttrici collegati tra di loro. In questa prima parte vedremo la prima parte di teoria necessaria a comprenderli bene, nella seconda invece andremo direttamente a metterci mano.

Iniziamo quindi dalla teoria dell’elettricità, ovvero:

Elettromagnetismo

L’elettromagnetismo è una branca della fisica che studia il comportamento e le influenze di cariche magnetiche sia tra di loro che con il mondo esterno ed è la scienza alla base di tutti i moderni dispositivi elettrici e elettronici e permette di pensare in modo ingegneristico a degli strumenti che permettano di utilizzare questo tipo di energia ai nostri scopi (muoverci, riscaldarci, illuminazione ecc…)

Quello che manca è la tecnica per poter sfruttare al meglio le conscienze prese dall’elettromagnetismo.

Infatti da questa scienza fisica si è poi divisa una scienza tecnica (l’elettrotecnica) che costruisce modelli matematici al fine di modellare e sviluppare dei modelli ideali e poi trasformarli in modelli reali permettendo quindi l’utilizzo della fisica dell’elettromagnetismo in campo ingegneristico e tecnico.

Questo accade analizzando i componenti come scatole nere che cambiano e modificano dei fattori.

Quindi gli scopi del corso sono quelli di prevedere come si comporta un circuito e poi poterne ideare di nuovi.

Esistono 2 tipi di dispositivi:

elettrici: applicazioni dell’energia: generazione, trasporto e usufrutto dell’energia elettrica (esempio generatori, centrali, cablaggio e trasporto di potenza);
elettronici: dispositivi per applicazioni informatiche (computer,telefoni ecc), strumenti per creare e processare informazioni (esempio radio, televisione, telefoni e pc)

Nella realtà si utilizzano dispositivi elettronici e per gestire energia elettrica e l’energia elettrica per alimentare dispositivi elettronici rendendo quindi le due branche strettamente interconnesse tra loro.

Esistono anche applicazioni più nuove di elettronica e elettricità come pannelli solari e auto elettriche, per la medicina ecc…

Teoria dei circuiti concentrati

La teoria dei circuiti concentrati è ricavata dalle equazioni di Maxwell che sono alla base dell’elettromagnetismo.
Questa teoria ha però dei limiti, infatti questo non entra direttamente nel circuito fisicamente ma vediamo i vari componenti come se fossero scatole nere senza interessarci di cosa avviene al loro interno.

Per poter trovare i limiti della teoria bisognerebbe vedere il tempo di transito (il tempo che ci mette l’elettrone a passare da una parte all’altra del componente) dell’elettrone:infatti se il tempo di transito dell’elettrone è molto minore del tempo che ci mette il dispositivo a variare il suo effetto nel sistema, allora il circuito si può considerare a parametri concentrati.

Noi possiamo dire che se il tempo di transito è molto piccolo rispetto all’intervallo possiamo considerare la corrente entrante e uscente uguale e usare la teoria dei parametri concentrati al posto delle leggi di Maxwell.

Carica elettrica

La carica elettrica è una grandezza fisica fondamentale ed è quella che genera la forza di attrazione o di repulsione tra due corpi caricati elettricamente rispettando la legge di Coulomb.

le cariche possono avere segni opposti (+ e -) e la carica fondamentale presa in considerazione è la carica degli elettroni (carica convenzionalmente negativa).

In caso di cariche di stesso segno esse si respingono mentre le cariche di segno opposto si attraggono.

La carica elettrica ha come unità di misura il Coulomb.

Un Coulomb è circa uguale 6.24 x 10¹⁸

Attenzione: la carica elettrica non si crea e non si distrugge ma circola all’interno del circuito (cioè gli elettroni si muovono lungo le varie componenti e i cavi).

Corrente elettrica

La corrente elettrica è definita come la quantità di carica che attraversa una determinata superficie in un determinato periodo di tempo

Convenzionalmente nonostante sia fisicamente sbagliato, il verso della corrente è determinato dal “movimento” delle cariche positive.(fisicamente sbagliato perchè a muoversi come corrente sono gli elettroni all’interno del materiale e non i nuclei degli atomi)

La corrente elettrica si misura in Ampere (C/s) tramite un Amperometro.

Tipicamente questo movimento di elettroni avviene nei metalli grazie alle bande di elettroni di conduzione esistenti a livello atomico.

I multipoli (dispositivi modellabili circuitalmente), gli elementi dei circuiti

In elettrotecnica si utilizzano vari “elementi” che permettono di svolgere alcune operazioni con i due dati fondamentali di elettrotecnica: la differenza di potenziale e la corrente.

Queste scatole comunicano tramite il mondo esterno con dei terminali o poli tramite i quali, a seconda della struttura del circuito all’interno della scatola, quest’ultimo riceve dati (sotto forma di intensità di corrente o differenza di potenziale) e emette dati (sempre sotto forma di corrente o DDP).

Sono esempi di terminali prese di corrente, resistenze, connettori delle auto elettriche caricatori dei cellulari, i piedini dei circuiti integrati o quelli dei processori.

Esempio di multipoli, componenti fondamentali tali dei circuiti

convenzioni

Nei circuiti la corrente non è determinata solo da un numero ma anche da un segno che ci fornisce il verso di scorrimento di questa all’interno di un circuito.

Convenzionalmente sarà per noi necessario fissare arbitrariamente e a priori un verso di corrente. Questo non influirà sulla validità dei calcoli ma eventualmente su alcuni segni.

Quindi :

per ogni terminale si indica a priori un verso convenzionale della corrente,
si eseguono i calcoli in riferimento a quella convenzione
se i calcoli portano a un valore positivo BENE, altrimenti si intuisce che la corrente fluisce in senso opposto a quello adottato nella convenzione.

Campo elettrico

Come campo elettrico si intende la “sfera di influenza” di una carica e serve a spiegare l’interazione tra cariche elettriche a distanza, è quindi un campo di forze generato da una carica Q in cui inseriamo una carica q (detta di prova) per poterne vedere gli effetti.

Le formule del campo elettrico sono :

in cui la prima rappresenta vettorialmente l’intensità del vettore del campo elettrico (in poche parole è una sorta di ” gravità ”).

Campo elettrico

Ad una carica q posta in un campo E si trova un’energia associata alla singola carica che denotiamo con w.

l’energia per carica la chiameremo potenziale elettrico la cui formula sarà

V=wq

Questa energia (w) è possibile associarla per similitudine all’energia potenziale gravitazionale.

Tensione elettrica

Dati 2 punti a e b immersi in un campo elettrico, la tensione elettrica tra questi due punti è la differenza tra i potenziali di una stessa carica posizionata nei 2 punti. Viene infatti definita come

vab= -vba=V(a)-V(b)=w(a) – w(b)q=wq

La tensione elettrica o differenza di potenziale viene espressa in volt e viene misurata con uno strumento chiamato Voltmetro

1V=1jC

A titolo di richiamo la tensione dipende solo dai punti a e b senza considerare la carica spostata e il percorso svolto.

Polarità della tensione

Ai capi di una “scartola” il polo a potenziale maggiore è caratterizzato da un segno + (testa della freccia). Nei circuiti questo comporta il “senso di percorrenza” della corrente.

Convenzioni

Qui come per la corrente, a meno che non sia specificato a priori, sarà necessario anche in questo caso scegliere arbitrariamente la polarità e poi valutare a posteriori del calcolo se la nostra scelta è stata corretta e nel caso invertirla.

Forme d’onda

Nel corso delle lezioni incontreremo vari grafici e varie forme d’onda tra cui

(corrente continua, corrente alternata,segnali in PWM, carica e scarica di un condensatore, diodi, transistor, isteresi magnetica ecc…) Sarà necessario vedere quindi le variazioni al variare del tempo cosa accade.

Utilizzeremo molto la corrente alternata e la corrente continua.

qui riportiamo alcuni esempi

Esempi di forma d'onda che potrebbero essere la tensione o la corrente all'interno dei circuiti — Esempi di forma d’onda che potrebbero essere la tensione o la corrente all’interno dei circuiti

Esistono diverse fonti di energia a corrente continua: pannelli solari, batterie, convertitori a idrogeno, pannelli solari, dinamo ecc…

E utilizzatori in corrente continua come led, computer, server, telefoni ecc…

Così come esistono generatori a corrente alternata come alternatori, inverter generatori a gasolio ecc…

E utilizzatori a corrente alternata come motori trifase, motori bifase asincroni.

Potenza elettrica

La potenza elettrica è definita come la quantità di energia che il movimento delle cariche produce o perde passando da un potenziale all’altro (attraversamento del dipolo) in un certo periodo di tempo (in qualche modo riconducibile concettualmente all’energia cinetica e al lavoro gravitazionale)

Riducendo l’equazione è possibile ricavare varie formule per la potenza elettrica:

p=v x i
p=Ri²
p=v²/R

vedremo più avanti il significato di R come resistenza.

La potenza inoltre si misura in watt tramite il Wattmetro (strumento).

Convenzioni per i circuiti

Anche in questo caso ci sono delle convenzioni per il segno e in particolare il verso della potenza scambiata al dipolo coincide con quello della corrente al polo positivo.

In poche parole se il verso della corrente al polo positivo allora la potenza sarà entrante (potenza assorbita).

Se in questo caso la corrente sarà negativa allora la potenza verrà negativa il che significa che fisicamente la potenza è uscente (potenza generata). portando quindi a 4 combinazioni:

vediamo:

caso 1 corrente uscente al polo positivo → potenza uscente
caso 2 corrente entrante al polo positivo → potenza entrante
caso 3 corrente uscente al polo positivo → potenza uscente
caso 4 corrente entrante al polo positivo → potenza entrante

esempio 1.5 del Perfetti : calcolare la potenza assorbita da 1 e 2

esempio 1.6 del Perfetti : calcolare sempre potenza assorbita

vediamo che una delle potenze assorbite è negativa; questo indica che in realtà la potenza non è assorbita ma emessa dal dipolo preso in considerazione.

Convenzioni per i circuiti

Da un dispositivo elettrico la potenza può essere assorbita o ceduta al circuito e questo determina la differenza tra utilizzatori e generatori.

Per il generatore si assegna verso positivo alla potenza ceduta, mentre per gli utilizzatori si assegna verso positivo alla potenza assorbita.

Vediamo per i generatori che corrente e DDP sono coordinati e la potenza ceduta ha valore positiva.

Per l’utilizzatore invece vediamo che la corrente e la DDP non sono coordinate e la potenza assorbita allora avrà valore positivo.

Il Wattora è la quantità di potenza assorbita o ceduta ogni lasso di tempo ed è una rappresentazione effettiva di energia (misurabile in joule).

1 Wattora= 3600 j

se la potenza non è costante allora si fa l’integrale della potenza nel tempo

Il costo el watt ora è influenzato da molti fattori, con riferimento al solo costo dell’energia questo è un mercato estremamente volatile e varia giornalmente di 土 0,08/0,1 €

Importante ai fini ambientali è il consumo medio annuo per una famiglia media si aggira intorno ai 2000 kWh

Esempi di calcolo di energia

Energia prodotta annualmente da una centrale

Convenzioni interne al corso

Le grandezze elettriche variabili nel tempo si indicheranno con la lettera minuscola

esempio

i=i(t)

Le grandezze elettriche fisse nel tempo saranno rappresentate con la lettera maiuscola
ci saranno altre grandezze legate alle correnti alternate (fasori in numero complesso) che segneremo con una lettera maiuscola con un tratto sopra

esempio

Conduttori Ideali

(i fili che collegheranno i terminali tra una scatola e l’altra)

Si ipotizza per i conduttori ideali che i collegamenti tra un multipolo e l’altro siano equipotenziali, cioè all’interno dello stesso filo il potenziale è 0

Sono quondi vere le seguenti affermazioni su questo circuito:

V_ab=V_cd
V_ac=0
V_a=V_c
V_b=V_d

Questo implica che le variazioni di energia avviene solo all’interno dei multipoli

Reti o Circuiti elettrici

L’insieme di più multipoli collegati da conduttori ideali prende il nome di circuito e dato che i collegamenti sono equipotenziali e le variazioni di energia avvengono solo all’interno dei multipoli, questi circuiti vengono definiti a parametri concentrati.

Il modo in cui i vari elementi di un circuito sono collegati tra loro viene detta topologia del circuito.

Per la topologia non è importante la lunghezza del filo o la posizione nello spazio, ma solo e unicamente delle connessioni tra i multipoli.

Per esempio nell’immagine sotto i tre circuiti hanno stessa topologia perché i collegamenti sono sempre gli stessi

ESEMPIO 1A—1C ; 2C—2B

Lo studio dei circuiti

Nello studio del circuito i multipoli verranno visti come delle scatole nera al cui interno avvengono cose e che (come detto prima) interagiranno attraverso i loro terminali tramite variabili esterne che saranno tensioni e correnti.

L’analisi quindi del circuito si basa sulla volontà di ricavare tensioni e correnti ai vari terminali data la topologia degli elementi che lo compongono. In questa serie di relazioni saranno denominate relazioni caratteristiche e tramite le equazioni topologiche.

Leggi di Kirchhoff

Leggi di kirchhoff leggi fondamentali su cui si basa lo studio dei circuiti a parametri concentrati

Nodi,rami e maglie, nei circuiti

Un nodo è il punto di incontro di 3 o più poli, in poche parole un bivio di correnti.

Un ramo è l’insieme dei componenti compreso tra 2 nodi, cioè un gruppo di componenti connessi tra loro senza nodi intermedi.

Una maglia di un circuito e un insieme di rami in cui la corrente può scorrere in un percorso chiuso, Ogni maglia può contenere altre maglie al suo interno.

Prima legge di Kirchhoff

1 in un nodo la somma delle correnti è uguale a 0

i1+i4+i5=i3+i2

j=1nin=0 LKC

Esempio 1.2 perfetti

Esempio fatto in classe

perto dal nodo A che ha una sola incognita e scrivo l’equazione del solo nodo A per poter ricavare I₂:

i7+i8=i6+i2 i7+i8-i6=i2 che in numeri (-1)+3-(1)=1

dal nodo B abbiamo equazioni

i5+i3+i2=i1+i4 i5+i3+i2-i4=i1 che in numeri 5+2+1-(-3)=11

Non sempre però è disponibile un “nodo di partenza” con una singola incognita; nel caso si costruisce un sistema a n equazioni in n incognite :

i7+i8=i6+i2 equazione del nodo A

i5+i3+i2=i1+i4 equazione del nodo B

Seconda legge di Kirchhoff

2 in una maglia la somma delle tensioni è uguale a 0

v1+v2+v3+v4=0

j=1nvj=0 LKT

Esempio 1.3 del Perfetti

Esempio di applicazione della Legge di kirkhoff sul potenziale

In questo caso bisogna scegliere un senso di percorrenza della maglia per poter assegnare il segno alle varie DDP della maglia e assegneremo le frecce concordi al senso di percorrenza con segno positivo e quelle contrarie con segno negativo.

Per esempio se prendiamo il senso orario otterremo

4+10-v-12=0

mentre se prendiamo il senso antiorario otterremo

-4-10+v+12=0

Il risultato indiscutibilmente non cambia

Per le leggi di kirchhoff in poche parole quello che entra deve anche uscire

Esempio 1.5 del Perfetti

Equazioni di un circuito

Le leggi di Kirchhoff dipendono dalla topologia del circuito non dagli elementi che compongono il circuito.

Supponiamo di avere un circuito con n nodi e l lati

applicando LKC otteniamo n-1 equazioni indipendenti
applicando LKT otteniamo l-n+1 equazioni indipendenti

Quindi dalla sola topologia del circuito otteniamo [(N-l) +(L-N+I)]= L equazioni indipendenti che denotiamo come equazioni topologiche che però non sono sufficienti a risolvere il circuito, infatti per risolvere il circuito avremmo bisogno di 2L equazioni date dalle L tensioni + L correnti

Per ottenere le altre equazioni bisogna fare ricorso alle equazioni costitutive ( dette anche relazioni caratteristiche) degli elementi che lo compongono.

Conservazione della potenza istantanea

La somma algebrica delle potenze assorbite (o generate) da tutti gli elementi di un circuito è nulla in ogni istante. Questo significa in termini fisici che in un circuito ideale la potenza generata viene anche completamente assorbita.

Consideriamo due dipoli a e b collegati tra loro da conduttori ideali La potenza assorbita dal dipolo a e uguale a Pa=vi mentre la potenza erogata da b è Pb=-vi;

La somma algebrica delle potenze assorbite da tutti gli elementi di un circuito è nulla in ogni istante; in un circuito quindi la potenza generata dai generatori è uguale a quella assorbita dagli utilizzatori; ciò è valido solo per collegamenti con conduttori ideali.

Esempio 1.10 ( CAPIRE LA POTENZA ASSORBITA DAI BIPOLI)

Esempio di calcolo della potenza all'interno di un circuito — Esempio di calcolo della potenza all’interno di un circuito

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Transizione energetica: un ponte per un futuro più sostenibile

Pubblicato il Luglio 3, 2024 da Giovanni

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Per transizione energetica elettrica si intende il passaggio da fonti di energia fossili (limitate) a fonti di energia rinnovabili (abbastanza energia da approssimarla ad infinita in tempi umani). Il comparto elettrico sta dando il maggior contributo alla transizione energetica e quindi verrà affrontato in questo corso.

All’interno di questa transizione energetica da combustibili fossili a fonti rinnovabili abbiamo una sempre più spinta elettrificazione dei consumi con nuovi utilizzatori come veicoli elettrici o device tecnologici. Più il tempo passa vediamo che la quantità di utilizzatori elettrici stanno aumentando sempre più. Senza l’energia elettrica questi utilizzatori non avrebbero senso di esistere per via del basso rendimento o della bassa efficienza. Prendiamo per esempio i cicli frigoriferi o i motori delle macchine industriali: essi non avrebbero senso di esistere all’infuori del vettore energetico elettrico.

Inoltre dopo il decreto Bersani vi è stata una liberalizzazione del mercato energetico consentendo anche ai privati di produrre energia.

All’interno di questa transizione abbiamo anche il passaggio da un sistema di produzione centralizzato, grandi centrali vicine alle città, a un sistema distribuito (generazione di energia direttamente al’utilizzatore), o misto centralizzato distribuito.

Il momento della transizione energetica arriva con la maggiore consapevolezza del riscaldamento globale dove ci si è accorti che è fondamentale ridurre l CO2 in atmosfera. Inoltre il tempo che ci rimane per prendere provvedimenti a riguardo è molto limitato prima che il processo sia irreversibile.

TerminOlogie utili

–Prodotti energetici: prodotti estratti o catturati da prodotti naturali, da cui è possibile ricavare energia e sono per noi risorse primarie, che possono essere non rinnovabili come il carbone, o rinnovabili come il fotovoltaico.

–Energia rinnovabile: energia che una volta consumata si ripristina e può essere consumata nuovamente.

–Energia non rinnovabile: una volta consumata non può rinnovarsi.

–Energie alternative: energie che vengono prodotte senza combustibili fossili; di queste fa parte anche l’energia nucleare.

–Vettori energetici : sostanze che possono essere utilizzate per creare movimento e lavoro meccanico come benzina, energia elettrica, idrogeno ecc.. (tutto quello che non si estrae dalla natura )

Le fonti di energia rinnovabile utili alla transizione energetica

Utilizzo delle varie fonti di energia rinnovabili per la transizione energetica

Possiamo vede dal grafico che l’idroelettrico sostiene la crescita delle energie rinnovabili, ma il suo contributo è concluso e il settore è saturo. Possiamo quindi contare per procedere con la nostra transizione energetica su altri tipi di fonti di energie. Vediamo che il solare sta avendo una forte crescita e un grosso impatto sulla produzione di energia che è possibile prevedere ancora più spinta nei prossimi anni.

Vediamo inoltre che la crescita delle rinnovabili ha superato in termini di produzione gas e carbone.

Infatti vediamo sempre dal grafico che la produzione in termini energetici da parte del carbone è di circa 2.1 TW mentre dalle fonti di energia rinnovabili (Renewable Energy Sources) siamo arrivati a toccare circa i 2.5 TW di potenza.

Vediamo inoltre dal grafico che la quantità di centrali alimentate a carbone e gas nel mondo sta diminuendo a favore delle fonti di energia rinnovabile.

Questo non solo da un punto di vista di adozione delle soluzioni rinnovabili, ma anche dal punto di vista economico vediamo che le fonti di energia rinnovabile stanno ricevendo sempre più finanziamenti e investimenti.

Variazione dei consumi in funzione di anno (assex) e potenza per la transizione energetica — Variazione dei consumi in funzione di anno (assex) e potenza

Vediamo qui i trend di crescita nella soddisfazione del fabbisogno energetico globale come le energie rinnovabili hanno soppiantato il petrolio, raggiunto a livello percentuale il nucleare e come, visto appunto il trend di crescita esponenziale, raggiungeranno presto l’idroelettrico e eventualmente i combustibili fossili.

Inoltre sappiamo che l’Europa punta a portare le fonti di energia rinnovabili al 40% e dai grafici sottostanti è possibile vedere come i vari membri europei stiano pian piano abbandonando il fossile per passare al rinnovabile.

Perché sta avvenendo questo cambiamento

1 la limitata disponibilità delle fonti non RINNOVABILi

Secondo degli studi abbiamo disponibili ancora circa 1500 miliardi di barili di petrolio,ma allo stesso tempo ne consumiamo circa 90 miliardi all’anno dandoci così all’incirca 15 anni di autonomia

Quindi abbiamo che le risorse naturali sono finite e prossime a finire.

Anche economicamente costa sempre di più estrarre le fonti fossili portando così a un rendimento economico minore che spinge a estrarre sempre di meno e a essere un settore, quello dell’estrazione, sempre meno sostenibile.

Inoltre ci troviamo in un periodo in cui in breve tempo arriveremo all’apice di molti fenomeni correlati ad un maggiore fabbisogno di energia tra cui:

la scarsità di cibo (servirà più energia per produrlo)
la scarsità di acqua
la sovrappopolazione (più persone hanno più bisogni energetici)

la presa di coscienza del riscaldamento globale

Siamo sempre più coscienti del fatto che il cambiamento climatico sta avvenendo, grazie alla presa di posizione di comunicatori migliori degli ingegneri e scienziati; infatti quest’ultimi sin dagli anni 70 sostengono che il cambiamento globale esiste e va affrontato.

Inoltre appunto anche in economia vediamo che i rischi maggiori sono legati al fallimento delle procedure per contenere il riscaldamento globale.

Quindi una eventuale catastrofe ambientale porterebbe di conseguenza anche a una catastrofe economica.

le cOnseGUENZE del riscALDAMENTO globale

l’innalzamento del livello del mare con la perdita di località costiere (vedi Venezia);
lo scioglimento dei ghiacciai che comporta la diminuzione delle riserve di acqua dolce;
Inoltre avremo una percentuale maggiore di vapore acqueo nell’aria che comporta dei cambiamenti a livello climatico come la minor frequenza di piogge ma con un aumento della violenza della precipitazione;
la presenza di nuove malattie o allergie dovuta alla migrazione di animali e piante da una parte all’altra del mondo per poter rimanere nel loro clima ideale;
la diminuzione di biodiversità

L’insieme di questi cambiamenti porterà a problemi locali per determinate popolazioni che migrando porteranno a problemi economici e politici non indifferenti (da qui l’alto rischio).

In termini temporali facendo alcuni conti abbiamo circa fino al 2030 per poter invertire il trend di crescita della temperatura e come primo baluardo di questo cambiamento è necessario ridurre drasticamente le emissioni di gas serra che, come vediamo dal grafico,è direttamente correlata alla crescita della temperatura.

Transizione energetica, emissioni di gas serra

Vediamo che il comparto energetico è uno dei grandi emettitori di gas serra e di conseguenza è uno dei comparti che cambiando può influire sempre più positivamente sulla quantità delle emissioni.

Per il settore dei trasporti di grandi dimensioni come navi e aerei non abbiamo una strada da percorrere per poter trasformare il movimento a sola energia rinnovabili.

ma come dato positivo vediamo che non c’è stato dal 2018 al 2019 una crescita delle emissioni globali nonostante la crescita economica del 2.2% e nel 2020 abbiamo avuto una caduta del 7% delle emissioni di CO2.

la scarsa qualità di vita nelle zone più inquinate come le grandi città

Vediamo che nel corso del tempo bruciando combustibili fossili la qualità dell’aria nelle grandi città sta peggiorando a vista d’occhio tanto da portare le persone a non uscire di casa se non munite di mascherine filtranti (questo anche pre-covid).

la decrescita dei costi e i prezzi delle fOnti di energia rinnovabile

Il costo delle energie rinnovabili è forte in decrescita, in particolare il fotovoltaico sta diventando la fonte di energia più economica al mondo in proporzione alla quantità di energia prodotta soppiantando addirittura i combustibili fossili.

Vediamo inoltre che il nucleare sta diventando sempre più costoso e sta venendo abbandonata come fonte di energia; infatti
negli ultimi anni stanno venendo costruite solo centrali prototipo e le centrali preesistenti sono economicamente sostenibili solo perchè sono già state ammortizzate. Inoltre una centrale nucleare moderna ha bisogno di molti più sistemi di controllo rispetto a una più vecchia aumentando così i costi di costruzione.

Il nucleare comunque è una forma di energia che potrebbe farci da ponte e portarci dal fossile fino al rinnovabile dato che con le enormi quantità di energia prodotta è u a solida base per le esigenze del mercato.

Non è una soluzione nemmeno il catturare e riciclare l’anidride carbonica dall’aria dato che le poche centrali producono troppa poca energia per i consumi e i costi sostenuti.

facilità e velocità di installazione e scalabilità

Vediamo che le rinnovabili sono le più veloci da installare e possiamo quindi velocizzare la transizione energetica. Inoltre permette di diversificare la fonti e rendere delle zone geografiche energeticamente indipendenti.

Infatti molti produttori e distributori si stanno spostando sul rinnovabile alimentando così la crescita. Inoltre anche l’utilizzo dell’energia sta cambiando ,infatti dato che l’energia elettrica da fonti rinnovabili ha la priorità di consumo (semplicemente perché è un’energia aleatoria e si fa molta fatica a immagazzinarla) sta diventando sempre più “consumata” dal pubblico.

Dal grafico sopra vediamo che andando avanti con il tempo che l’umanità sta spostando l’utilizzo di energia da fonti fossili all’utilizzo di energia elettrica. Per esempio è sempre più comune avere un fornello elettrico o a induzione che permette di riscaldare senza dover bruciare materiale.

Il mercato delle fonti rinnovabili

Vediamo dal grafico una forte crescita del settore rinnovabile a livello di produzione di potenza mentre notiamo una certa stabilità nella produzione di energia da fonti fossili.

Il grafico sopra fa vedere chi e dove investe in energie rinnovabili:
– il settore pubblico investe solo per il 21% mentre il privato per il 79%

la maggior parte degli investimenti sono utilizzati nella parte asiatica del mondo (42%)
infine vediamo che il 47% dei soldi è diretta in fotovoltaico.

Inoltre il fabbisogno energetico mondiale sta aumentando e l’unica risorsa energetica che è possibile considerare infinita è l’energia solare.

Rimangono però due grossi problemi dal punto di vista energetico: il settore della generazione del calore e quello dei trasporti che esulano anche se solo in parte alla transizione energetica elettrica.

Conclusioni

La transizione energetica elettrica sta avvenendo ma sarà molto lenta dato che il sistema energetico ha un’inezia economica enorme e il cambiamento sarà molto lento.

Ma la fase degli idrocarburi sta finendo e l’unica risposta è il comparto dell’eolico e del fotovoltaico.

Ma la chiave è la presa do coscienza dell’economicità del solare e del fatto che non è possibile sostenere le altre fonti di energia.

Anche per oggi è tutto, questo articolo come gli altri della serie Elettrotecnica sono letteralmente appunti presi a lezione e un po’ riadattati.

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La corrosione in ambiente e gli ambienti corrosivi

Pubblicato il Giugno 1, 2024 da Giovanni

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Esempio di corrosione in ambiente acqua marina

Come abbiamo detto nei capitoli precedenti la corrosione è strettamente legata ai fattori ambientali, infatti senza l’ambiente verrebbe a mancare il conduttore di seconda specie (la soluzione elettrolita) tra i due metalli e non ci sarebbe corrosione affatto. Gli ambienti nella realtà sono infiniti e infinitamente vari, qui vedremo le difficoltà generali di alcuni ambienti molto specifici, in particolare:

Aria (fattori importanti: umidità, sali disciolti, piogge acide)
Acqua dolce (fattori importanti: durezza, turbolenza, sali disciolti)
Acqua salata (fattori importanti: salinità, profondità )
Terreno (Fattori importanti: Umidità, conducibilità, porosità, linee di terra)
Calcestruzzo (fattori importanti: acqua residua, porosità, chimica del CLS)
Alta temperatura (fattori importanti: unico caso di corrosione a secco)

Come vediamo quasi in tutti i casi il problema è sempre l’areazione differenziale tra una parte e l’altra del pezzo ed è una cosa che molto spesso non è possibile correggere se non in sede di progetto scegliendo un materiale o un insieme di materiali adeguati a quella situazione

Corrosione in ambiente aria

In aria i fattori da tenere in considerazione sono innumerevoli, ma principalmente sono tutti dipendenti dall’umidità relativa dell’aria.
La composizione dell’aria è circa 21% ossigeno, 78% azoto e, i valori che ci interessano, dallo 0 al 5 % di vapore e 390-500 PPM di Anidride carbonica.
Il vapore dipende molto dalle condizioni atmosferiche e dalla zona (zone desertiche molto secche, zone tropicali molto umide).

Corrosione per umidità

Per i nostri scopi esiste un parametro Tau, detto anche “tempo bagnato” che ci aiuta a capire quanto tempo la nostra struttura passerà toccata dell’acqua.
Questo è il periodo di tempo in un anno in cui circa la cella galvanica è attiva e ci permette quindi di calcolare la corrosione. Facciamo un esempio
Mettiamo che tramite le equazioni di Nernst otteniamo che la superficie viene corrosa ad una velocità di 0,004 mm all’anno. Ma sappiamo che il pezzo sarà esposto all’umidità per 2500 ore all’anno (ossia il 30% del tempo), allora la velocità di corrosione sarà il 30% della velocità calcolata con Nernst.
C’è un altro fattore importante, ovvero la presenza di sali igroscopici, ovvero sali che accumulano acqua che quindi peggiorano la situazioni.
Un fattore che influenza è l’esposizione al sole (asciuga molto più velocemente) e il colore (capacità di assorbire il calore).

Altri agenti

Altri agenti sono sicuramente l’ossigeno (lo spessore dell’elettrolita potrebbe portare ad una corrosione localizzata simile alla corrosione sotto le gocce), l’anidride carbonica presente nell’aria data la sua propensione a creare dei carbonai metallici (come i carbonai di zinco o di rame). Inoltre se combinato all’acqua la rende più acida cambiando le condizioni di cella e risalendo il diagramma di Poisson. Meccanismo simile vale per i solfuri, i solfati e gli acidi solforici.

Un piccolo aneddoto aggiuntivo per quanto riguarda gli escrementi di volatili e gli acidi contenuti all’interno. Questo fattore accelera o modifica la corrosione creando un ambiente acido e ricco di ioni OH-.

Forme di corrosione in atmosfera

In aria abbiamo tutta la varietà di forme di corrosione. Si parte dalla più comune corrosione generalizzata per i metalli esposti, alla corrosione localizzata dei materiali con superfici protette.

Corrosione in ambiente acqua dolce

L’acqua dolce o in generale l’acqua non è un conduttore, ma i sali disciolti al suo interno lo fanno diventa il perfetto conduttore di seconda specie tra i 2 metalli.
Inoltre le possibili incrostazioni causate da calcare o altri sali disciolti aiutano a creare delle microcelle galvaniche a concentrazione.
In acqua le caratteristiche che influenzano la corrosione sono alcalinità (presenza di sali alcalini o di calcare), durezza, ovvero il contenuto di ioni di calcio e magnesio che concorrono alla formazione di calcare.
L’acidità rappresentata dalla percentuale di anidride carbonica disciolta in acqua e infine il potere incrostante dell’acqua (appunto formazione di celle galvaniche a concentrazione)

In realtà il potere incrostante non per forza è un male, infatti se la “crosta” è uniforme e compatta questa funge da film protettivo del metallo.
Il potere incrostante si calcola risolvendo dei sistemi a equilibri multipli.

Possiamo valutare il potere incrostante di un’acqua tramite alcuni indici teorici in funzione al pH di saturazione che si calcola in questo modo

Altri fattori importanti da considerare sono la conducibilità (sempre relativa alla quantità di ioni disciolti e dal tipo di ioni disciolti), l’ossigeno disciolto e la componente biologica che con i suoi scarti o tramite le attività vitali stesse possono andare a corrodere il materiale.

Corrosione in ambiente acqua marina

In acqua marina abbiamo gli stessi problemi dell’acqua dolce, inoltre abbiamo degli aspetti peggiorativi come la presenza di ioni di cloro, correnti marine e sabbia/ particolato abrasivo in sospensioni. Inoltre c’è un gradiente di potenziale, salinità e concentrazione di ossigeno al variare della profondità.
Inoltre la presenza di ini di sodio e modificano la scala dei potenziali di riduzione nobilitando alcuni metalli (come il titanio) e de-nobilitando altri come l’oro.

L’acqua di mare tendenzialmente aumenta la velocità di corrosione dato che si tratta di un liquido elettrolita, in moto, ricco di particolato, con altezza variabile e popolato da batteri e alghe.

Corrosione in ambiente terreno

Il terreno è un ambiente molto variabile da sito a sito, tendenzialmente il fattore più importante è la porosità. Questa permette il passaggio dell’aria e dell’acqua e varia quindi le condizioni. Queste caratteristiche sono quindi dettate dalla granulometria dei terreni oltre ad altri fattori ambientali. Altro fattore importante è la presenza dell’uomo: scaricando le linee di terra appunto a terra creiamo un potenziale locale che permette di agevolare i processi di corrosione.
Inoltre nel terreno c’è una forte presenza di sali che in presenza di acqua si disciolgono e vanno a variare pH e condizioni del conduttore elettrolitico (acqua). Tendezialmente si trattano di sali di cloro, zolfo e carbonati. I primi riducono il campo di passività mentre i secondi possono aiutare la passivazione. Questi fanno tendere il pH dei terreni tra il 5 e l’8, quindi terreni tendenzialmente acidi o neutri.
Inoltre in terra c’è molta attività biologica e gli scarti di quest’ultima aiuta la produzioni di ioni solfati e solfiti.
La condizione ideale è quella di un terreno areato, con granulometria grossa e in assenza di sali. In caso di presenza di carbonati c’è la possibilità di una precipitazione dei carbonati sul metallo creando quindi dei sistemi di corrosione e locale.

Dato che il terreno spesso è disomogeneo e può variare la sua granulometria e la sua composizione a distanza di pochi metri, uno dei problemi può essere la cella ad areazione differenziata, ovvero lo stesso tubo che attraversa un terreno misto si comporta:

in maniera catodica nella sezione a porosità maggiore
in maniera catodica nella sezione più compatta

Corrosione in ambiente biologico

Per ambiente biologico si intendono gli ambienti che hanno a che fare con il corpo umano. Si prendono in considerazione quindi tutti quei metalli chirurgici che o rimangono a contatto con il corpo per un tempo limitato o vengono impiantati in maniera permanente come per esempio viti per ossa, protesi dell’anca o del ginocchio eccetera.
In ambiente biologico abbiamo 2 tipi di macroambienti: extra corpore (ovvero tutte le strumentazioni che hanno un contatto con il corpo limitato) o in corpore (tendenzialmente rotesi o sistemi meccanici permaneti).

Corrosine in ambiente biologico extra corpore — Esempio di corrosione in ambiente biologico extra corpore

Per i metalli extra corpore l’ambiente riserva loro la presenza di detergenti, farmaci e disinfettanti tipicamente composti da cloruri o soluzioni ossigenate entrambe deleterie per quanto riguarda la corrosione. Il materiale tipicamente usato è il famoso “acciaio chirurgico”, ovvero un acciaio ad altissimo contenuto di cromo e con un basso tenore di carbonio. Questo è l’acciaio utilizzato anche per i piercing di media qualità ad esempio.
In caso di problemi dati da corrosione generalizzata è possibile inserire in microlegato del molibdeno per ottimizzare le prestazioni del film passivante del cromo.

Esempio di corrosione in ambiente biologico in corpore

Per i metalli in corpore invece deve affrontare l’interno del nostro corpo, ricco di ioni cloro, ossigeno, ma soprattuto estremamente conduttivo (è come essere in acqua salata a livello di conducibilità).
In ambiente biologico la morfologia più comune è quindi la corrosione galvanica e la corrosione assistita (sforzo o fatica).

Corrosione in ambiente calcestruzzo

La corrosione all’interno del calcestruzzo è un fenomeno particolarmente complesso a causa delle caratteristiche specifiche di questo materiale. Il calcestruzzo è per sua natura poroso e può contenere acqua residua e vari agenti chimici che influenzano il processo corrosivo. Uno dei principali problemi è la carbonatazione, un processo in cui l’anidride carbonica penetra nel calcestruzzo e reagisce con l’idrossido di calcio presente, abbassando il pH dell’ambiente e compromettendo lo strato passivante che protegge l’acciaio dall’ossidazione.

Un altro fattore critico è la penetrazione di cloruri, spesso presenti nei sali antighiaccio o nell’ambiente marino, che può causare corrosione pitting localizzata dell’armatura in acciaio. La presenza di microfessure nel calcestruzzo può ulteriormente accelerare questi processi permettendo un più facile accesso degli agenti corrosivi all’interno. La combinazione di questi fattori può portare a una significativa riduzione della durata della struttura in calcestruzzo armato, rendendo essenziale un’attenta progettazione e manutenzione per mitigare i rischi di corrosione.

Corrosione in ambiente ad alta temperatura

La corrosione ad alta temperatura rappresenta un caso unico di corrosione a secco, dove il principale agente corrosivo è l’ossigeno presente nell’aria. Questo tipo di corrosione è rilevante in ambienti industriali dove i metalli sono esposti a temperature elevate, come nei forni, nei motori e negli impianti di produzione di energia. A queste temperature, gli ossidi metallici formati possono non fornire un’adeguata protezione passivante, come avviene a temperature più basse. Ad esempio, l’ossidazione del ferro a temperature elevate può portare alla formazione di ossidi che si distaccano facilmente dalla superficie, esponendo continuamente il metallo nudo all’ossigeno e accelerando il processo corrosivo.

Alcuni metalli e leghe, come l’acciaio inossidabile e le superleghe a base di nichel, sono progettati per formare strati di ossidi protettivi stabili che possono rallentare il processo di ossidazione. Tuttavia, la presenza di gas corrosivi come zolfo e cloro a temperature elevate può complicare ulteriormente il quadro, poiché questi possono formare composti con i metalli che accelerano la corrosione. Pertanto, la selezione dei materiali per applicazioni ad alta temperatura deve tenere conto non solo della resistenza meccanica ma anche della capacità di formare strati protettivi stabili in condizioni operative specifiche.

Anche per oggi è tutto. Se volete vedere altri articoli della serie di corrosione cliccate qui. Invece per rimanere aggiornati sulle novità pigia qui!!!

La corrosione: Metodi di protezione

Pubblicato il Maggio 22, 2024 da Giovanni

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Abbiamo visto fino ad adesso come funziona il processo della corrosione e come si presenta, e la domanda ora è: “come posso fermare questo processo?”. In realtà abbiamo visto che è impossibile annullare la corrosione, ma possiamo limitarne gli effetti prendendo delle precauzioni e utilizzando dei metodi di protezione.

Le 4 componenti della corrosione

Abbiamo già visto questo diagramma e abbiamo detto che è sufficiente eliminare anche una sola delle componenti.
La componente che ha più senso “eliminare” è quella che già di suo ha una resistenza maggiore. Questa componente lo chiameremo “passo limitante”

Metodi di protezione

Il conduttore di prima specie nella cella elettrolitica è il cavo che collega anodo e catodo. Questo è il passo più difficile da limitare dato che è generalmente dato dal diretto contatto tra i 2 metalli. Infatti non si agisce mai sul primo passo ma piuttosto si agisce o sull’ambiente o sui due elettrodi. Tendenzialmente ci sono 3 metodi di protezione:

modifica dei fattori ambientali
modifica della superficie
protezione elettrica

Modifica dei fattori ambientali: Il metallo

Il primo passo per proteggere un elemento dalla corrosione è ovviamente la scelta del metallo opportuno per l’ambiente che lo circonda.
La selezione è ovviamente dettata dal budget disponibile e si può o sceglier il materiale o inserire alligazioni nobilitanti o passivanti sullo stesso.
Prima bisogna capire su quale anodo agire:

Fissato il processo catodico (quindi lavoro sull’anodo) posso o aumentare il potenziale anodico con alligazione nobilitante o aumentare il sovrapotenziale anodico con una alligazione passivante
Fissato il processo anodico invece l’unica cosa che posso fare è aumentare il sovrapotenziale catodico inserendo in lega degli elementi che rallentino lo sviluppo idrogeno o la riduzione ossigeno.

Variazione sul diagramma di Evans per alligazione nobilitante

Variazione sul diagramma di Evans per alligazione passivante in caso di metallo attivo

Variazione sul diagramma di Evans Protezione anodica con alligazione resistiva

Modifica dei fattori ambientali: l’ambiente

Importanti almeno tanto quanto la scelta del metallo, ci sono i fattori ambientali da tenere in considerazione, in particolare la presenza di speci chimiche dannose, il pH e il tenore di ossigeno.
In generale è possibile controllare solo il tenore di ossigeno lavorando o sulla temperatura o aggiungendo in ambiente speci chimiche che reagiscono con l’ossigeno come il solfito di sodio e l’idrazina,

Inibitori di corrosione

Esistono delle sostanze chimiche che inducono reazioni parallele o competitive alla corrosione (abbiamo visto per esempio il cloro induce reazioni chimiche favorevoli alla corrosione) e si possono classificare in più modi:

Per natura chimica
Per utilizzo
Per condizioni di impiego
per meccanismo elettrochimico

Noi li classificheremo in quest’ultimo modo

Classificazione degli inibitori

Gli inibitori anodici invece si dividono in ossidanti e non ossidanti. Questi ultimi vanno a lavorare sulla curva di attività del metallo facendogli acquisire i comportamenti di un metallo passivato e nel caso questo sia già un metallo passivato, allargano il campo di passività.
Il meccanismo è quello di reagire con l’ambiente e creare superficialmente uno strato “passivato”, alcuni esempi possono essere i carbonati, i borati, i silicati ecc… .

Variazione sul diagramma di Evans di un processo corrosivo con inibitori

Di contro ovviamente ci sono gli inibitori ossidanti il cui meccansimo è lo stesso, ma reagiscono con l’ossigeno

Gli inibitori hanno alcune criticità, ovvero per arrivare a “passivare” il metallo li dobbiamo mettere in maniera omogenea e dovremmo assicurarci che la concentrazione sulla superficie sia sufficiente a passivare il metallo; inoltre sarà necessario mantenere la concentrazione di mantenimento nel tempo e tenere conto della vita operativa dell’inibitore. In seguito riportiamo alcuni inibitori tipici.

Tabella di inibitori tipici in vari ambienti per alluminio e acciaio

Metodi di protezione: Modifica della superficie

Un altro metodo per tenere sotto controllo la corrosione è quello di modificare la superfice e il metodo più intuitivo è quello di isolare la superficie dall’ambiente. In questo modo otteniamo un aumento del sovrapotenziale del metallo, ovvero una resistenza del circuito di corrosione.

Per fare questa operazione utilizziamo dei rivestimenti che si dividono nel seguente modo:

Metodi di protezione: rivestimenti isolanti dall'ambiente, la classificazione — Metodi di protezione: rivestimenti isolanti dall’ambiente, la classificazione

Questi rivestimenti li affronteremo uno ad uno, ma prima di applicare un rivestimento è di fondamentale importanza andare a preparare la superficie su cui applicarlo, in particolare pulirla.
Sembrerebbe un problema di poco conto, ma una buona pulizia implica una buona adesione dello strato e una difficolta maggiore nel presentarsi di problemi di corrosione localizzata o sottopelle.

Meccanismi di pulizia

Rivestimenti metallici

Gli obbiettivi dei rivestimenti metallici possono essere svariati:
– aumentare la resistenza all’usura,
– aumentare la durezza superficiale
– Migliorare l’estetica dei materiali
– Variare alcune proprietà funzionali come le funzionalià ottiche o elettroniche
– aumentare la resistenza alla corrosione
La divisione tra i rivestimenti metallici è relativa alla nobiltà del materiale rivestito, questo non solo funge da protezione fisica, ma anche da possibile protezione chimica alla corrosione.

Nel caso in cui il rivestimento sia più nobile del metallo abbiamo

Corrosione stimolata dal rapporto tra le aree sfavorevole
Ostacolata da prodotti di corrosione che sigillano i difetti
Ostacolata dalla possibile passività del metallo più nobile

Nel caso contrario invece abbiamo un rapporto tra le aree molto favorevole e il metallo meno nobile funge da anodo sacrificale superficiale. L’esempio più lampante di una applicazione di questo genere sono i famosi tubi zincati o il rivestimento zincato tipico dei tralicci o delle scale anti-incendio.
Notiamo che a seconda della dimensione di un eventuale difetto gli effetti possono cambiare, in particolare potrebbe verificarsi una cella ad areazione differenziata all’interno di una cella elettrolitica.

Metodi per fare rivestimenti metallici

Esistono vari modi per poter rivestire un metallo con un altro metallo. Qui sopra abbiamo appunto una prima classificazione.
Per rivestire i metalli spesso servono delle tecniche per poter depositare un metallo di natura diversa sopra un altro e a volte servono degli strati di transizione da un metallo ad un altro. Vediamo quindi alcuni metodi

Placcatura

Abbiamo tutti visto dei metalli placcati, tipicamente nei gioielli per poter dare una parvenza di oro o argento. Questo metodo può essere effettuato a varie temperature:

Se la temperatura è superiore a quella del metallo di rivestimento allora si dice che il metallo è sovrasaldato e come dice la parola si salda il metallo di rivestimento sulla superficie della superficie
Se la temperatura invece è inferiore a quella di fusione del metallo di rivestimento otteniamo il rivestimento laminando i due strati uno sopra l’altro.

Spruzzatura

La spruzzatura è un processo in cui delle particelle del rivestimento vengono sparate sulla superficie da rivestire. I metodi di spruzzatura per i metalli implicano la fusione del metallo di rivestimento e il lancio di gocce di questa sostanza fusa.
La particolarità di questo processo è la possibilità di spruzzare anche materiali ceramici, ossidi o nitruri.
Per poter ottenere il metallo fuso lanciato si utilizzano delle tecniche al plasma in cui il plasma svolge le 2 funzioni contemporaneamente.

Pittura ad alto tenore di metallo

Per chi ha lavorato in un’officina meccanica o nel campo della carpenteria metallica questo strumento di protezione è molto noto. Esistono infatti delle vernici che contengono come pigmento del particolato metallico, tipicamente zinco, che svolgono la funzione di protezione catodica. Si utilizza principalmente sulle saldature o sui giunti ed è una soluzione relativamente economica e disponibile a chiunque.

Rivestimento metallico a caldo

Con i metalli bassofondenti come il piombo, lo stagno, l’alluminio (in casi particolari), il cadmio e lo zinco è possibile immergere il pezzo direttamente in un bagno di metallo fuso. Questo comporta una copertura più spessa e uniforme. Ed è l’ultima delle lavorazioni meccaniche

Deposizione fisica di vapori

Questo tipo di deposizioni è fortemente dipendente dalla natura superficiale del substrato per l’ancoraggio.

Elettrodeposizione

Questo metodo è quello che si usa per la cromatura delle parti metalliche e segue i principi della cella elettrochimica visti ad inizio corso di corrosione (qui)

I metalli usati tipicamente per i rivestimenti sono i seguenti e con i seguenti metodi:

Metallo	Metodo di rivestimeto
Zinco	Zincatura a caldo, a freddo e elettrodeposizione
Cadmio	Elettrodeposizione
Piombo	Immersione e Elettrodeposizione
Stagno	Immersione e elettrodeposizione
Alluminio	Immersione
Nichel	Elettrodeposizione, Riduzione chimica da sali e placcatura
Cromo, Nichel-Cromo	Elettrodeposizione
Rame	Elettrodeposizione
Oro	Elettrodeposizione e placcatura

Metodi di protezione: Strati di conversione

Gli strati di conversione sono un film superficiale formato in situ, ovvero direttamente sul metallo da proteggere, tramite un legame chimico o elettrochimico. Questi possono essere utilizzati come strati anticorrosivi o come fondo per i successivi rivestimenti.

Fosfatazione

Il substrato metallico viene fatto reagire con dell’acido ortofosforico contenente ioni metallici fosfati. Questa reazione sviluppa idrogeno e crea uno strato poroso ottimo per le successive lavorazioni come la verniciatura o i metodi fisici di rivestimento.

Reazione dell'acido ortofosforico per l'acciaio — Reazione dell’acido ortofosforico per l’acciaio

Cromatazioe

Anodizzazione

L’anodizzazione è un procedimento molto attuato, specialmente per l’alluminio.
L’obbiettivo è quello di inspessire lo strato di ossido protettivo tramite cella elettrochimica (andiamo a stimolare la produzione dello strato di passività).
In particolare per il titanio abbiamo anche la possibilità di far “cambiare colore” tramite dei fenomeni di diffrazione dello strato di ossido (lo spessore dell’ossido è direttamente correlato alla frequenza di luce respinta).

Metodi di protezione: Rivestimenti organici

Ora che abbiamo visto il mondo dei rivestimenti metallici, andiamo a vedere il più economico e accessibile mondo delle protezioni organiche, ovvero le vernici.
La composizione delle vernici è la seguente:

Legante: è la sostanza chimica che tiene insieme tutto e lega la vernice al substrato su cui viene applicata.
Solvente/diluente: servono per la messa in posa della vernice e tendenzialmente a vernice asciugata o li troviamo presenti in quantità ridotta o non li ritroviamo affatto.
Pigmenti/ cariche : i pigmenti sono solamente il colore mentre le cariche aiutano a migliorare le caratteristiche meccaniche della vernice e possono influenzare la permeabilità della stessa
Additivi: servono a migliorare le prestazioni della vernice e possono spaziare da acceleratori di asciugatura, antiossidanti, agenti di attivazione superficiale ecc.

Le vernici si classificano inoltre in base al processo di indurimento che la governano:

Indurimento per evaporazione del solvente(fisico)
Indurimento per ossidazione (il legante ossida e indurisce)
polimerizzazione

Il procedimento per una corretta verniciatura è quello che segue

Preparazione della superficie da verniciare

La vernice inoltre ha ben 2 effetti protettivi sul substrato, ovvero la protezione fisica e meccanica dall’acqua isolando la componente dall’ambiente e in caso di presenza di pigmenti attivi anche quella di protezione catodica come abbiamo visto appunto le vernici allo zinco o anodica come le vernici al minio di piombo (questa non si usa più per la sua tossicità, ma largamente utilizzata per esempio sulla torre Eiffel o sul ponte di Brooklin in anni passati).

Metodi di protezione : Protezione elettrica

Dopo aver visto tutti i sistemi di protezione “passivi” andiamo ora a vedere quello più particolare e talvolta attivo.
Questo tipo di protezione si usa solo in ambienti altamente conduttivi come acqua di mare, terreno o ambienti particolari.
L’idea è quella di abbattere il potenziale di corrosione tra due elettrodi limitando la corrosione al suo minimo.
Abbiamo anche qui 2 categorie ovvero la protezione attiva catodica e anodica.

Protezione catodica

Fissato il processo catodico andiamo a lavorare sulla tensione a cui si trova il metallo aggiungendo o un elettrodo insolubile o uno solubile (anodi sacrificali)

Per quanto riguarda gli anodi solubili la teoria è molto interessante: infatti collegando con un filo il metallo da proteggere con l’anodo, la tensione di lavoro della struttura si abbassa a sommandosi a quella dell’anodo che andrà a corrodersi a favore della struttura stessa. Questo metodo è molto utilizzato sia in campo marino che in campo civile per proteggere tubature e cavi sotterranei. Questo tipo configurazione però favorisce lo sviluppo idrogeno sulla superficie del metallo da proteggere.
Il dimensionamento di questi anodi è una procedura abbastanza complessa senza entrare nei dettagli segue i seguenti passi:

E anche per oggi è tutto. Considerate che questo piccolo minicorso è solo il primo della serie e spero di poterlo mettere scaricabile in PDF. Per rimanere aggiornato clicca qui!!
Mentre per altri articoli sulla scienza dei materiali clicca qui.

La corrosione, Morfologia di corrosione

Pubblicato il Maggio 22, 2024 da Giovanni

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La morfologia, ovvero come si presenta la corrosione, è caratterizzata dalla forma e dalla “driving force”, ovvero il tipo di chimica che alimenta la corrosione.
Le driving force sono principalmente 2, ovvero il contatto galvanico e la cella ad areazione differenziata.
Mentre le 3 macro-famiglie di corrosione sono corrosione generalizzata, corrosione localizzata e corrosione selettiva.

Morfologia di corrosione: Corrosione generalizzata

La corrosione si divide in

Corrosione uniforme
Corrosione non uniforme

Prima divisione per la morfologia di corrosione — Prima classificazione delle morfologie di corrosione

L’uniformità di corrosione è data dalla finitura superficiale, infatti dall’elettrotecnica sappiamo che le correnti si accumulano sugli spigoli. Infatti più le valli e i picchi sono arrotondati, più la corrosione sarà uniforme. Per esempio la prima parte ad andare via per corrosione delle viti sono proprio i filetti che sono fatti di una cresta sottile su cui si accumula l’intera corrente di corrosione. Una delle lavorazioni più comuni infatti per limitare la corrosione è la butturatura.

Tendenzialmente la corrosione generalizzata è data dal contatto galvanico tra 2 metalli con nobiltà differente
I fattori da considerare nella corrosione generalizzata sono:

Differenza di nobiltà pratica
Proprietà catalitiche (il catodo può aiutare la corrosione tramite reazioni catalitiche)
Rapporto tra le aree
Conducibilità e composizione della soluzione (conduttore di tipo 2)

Differenza di nobiltà pratica

Nella teoria abbiamo studiato l’esistenza dei potenziali di riduzione standard, ma questi sono stati calcolati in ambienti di laboratorio, quindi è molto probabile che alcune differenze di potenziale rispetto allo standard in condizioni naturai vengano sfalsate. Dato che la natura è imprevedibile si è scelto di affrontare il problema tramite una soluzione empirica.
Ovvero per la compatibilità tra 2 metalli e per evitare un fenomeno corrosivo disastroso (ovvero la corrosione rapida dell’anodo) si è scelto di utilizzare una differenza di potenziale di riduzione tra i due metalli inferiore a 0,25V

Tabella per la compatibilità tra metalli in acqua marina. — Tabella per la compatibilità tra metalli in mare

In questa tabella ad esempio abbiamo che i materiali in classe 5 faranno da anodo a quelli di classe inferiore. Idealmente quando costruiamo una struttura infatti sarebbe cosa buona farla tutta dello stesso materiale, in particolare i giunti di connessione causano non pochi problemi.
In questi casi sono possibili dei ribaltamenti di comportamento. Per esempio sappiamo dalla termodinamica che lo zinco è meno nobile del ferro, ma a temperature elevate l’ossido che si crea non è più isolante ma semiconduttivo e quindi lo zinco diventa catodico rispetto al ferro.

Esempio di "ribaltone" morfologia di corrosione — Esempio di “ribaltone” morfologia di corrosione

Appunto qui abbiamo che lo zinco passivato ha una tensione di lavoro maggiore rispetto alla reazione di riduzione ossigeno, e quindi farà da catodo rispetto al ferro.

Proprietà catalitiche del catodo

Anche per il catodo la condizione superficiale è determinante, infatti ad esempio un film di ossidi stabili posizionati sul catodo crea una sovratensione che ostacola la reazione sul catodo.

Un altro fattore determinante è la concentrazione di ossigeno dato che la pressione parziale di ossigeno determina la velocita della reazione catodica (vedi equazione di Nernst), infatti in acque stagnati la corrosione spesso è lenta o addirittura trascurabile, mentre in acque agitate la corrente di corrosione è molto elevata appunto per la reazione veloce di produzione ossigeno.

Rapporto tra le aree

Abbiamo già visto nella cinetica di corrosione che il rapporto tra le aree delle interfacce dei 2 metalli è strettamente correlato, infatti dato che la corrosione è un effetto superficiale, la profondità di corrosione sarà più veloce tanto quanto l’area del catodo è piccolo.

Morfologia di corrosione: Corrosione Localizzata

Come per la corrosione generalizzata, anche per la corrosione localizzata ci sono 3 sottofamiglie, ovvero:

Vaiolatura (pitting)
Fessura (Crevice)
Filiforme (sotto film protettivo)

La driving force di questo tipo di corrosione è principalmente la cella ad areazione differenziata
Generalmente questo tipo di corrosione non avviene su materiali attivi, ma su materiali protetti o da vernici o film passivanti e vengono innescati proprio dalla rottura di questa protezione.
La rottura può avvenire sia in maniera meccanica sia in maniera elettrochimica (la corrente galvanica “sfonda” il film protettivo)
Altri motivi di corrosione localizzata sono la presenza di un deposito che crea areazione differenziale in una zona localizzata della superficie e sempre con la stessa driving force all’interno delle fessure o per la presenza di gocce sul metallo.

Vaiolatura o Pitting

Morfologia di corrosione: esempi di pitting

Meccanismo del pitting morfologia di corrosione — Meccanismo del pitting in presenza di cloro

Il tipo di corrosione localizzata più pericolosa e profonda è proprio questa. La vaiolatura è tipica appunto di metalli passivati ed è innescata dalla rottura o dal cedimento del film protettivo. I danni possono avere dimensioni ridottissime, addirittura microscopiche, e presentarsi anche singolarmente. Inoltre per via del rapporto ridottissimo tra le aree di catodo e anodo abbiamo una velocità di penetrazione della corrosione estremamente elevata. Tutto questo comporta problemi estremamente, in particolare in tubature o serbatoi in pressione.
Inoltre in caso di presenza di elementi de-passivanti come il cloro, la reazione diventa auto-catalitica, ovvero la velocità di reazione aumenta per via dell’idrolisi acida nella cavità,(ovvero l’ambiente acido nella cavita porta alla produzione di più ioni metallici per bilanciare il pH molto basso).

Attrazione degli ioni cloro per via di ioni ferro nella cavità.

Piccolo appunto sui fattori di riduzione delle zone di passività

La zona di passività come abbiamo visto in cinematica e termodinamica della corrosione è la zona in cui si forma un ossido o idrossido protettivo sullo stesso metallo. L’esempio più lampante di metallo passivato è l’alluminio con i suoi ossidi (l’allumina in particolare).
La zona di passività è direttamente correlata all’ambiente e di conseguenza alla presenza d ioni depassivanti come il cloro appunto e del valore del pH.

Effetti di alcuni elementi in lega sulla curva di passività.

E possibile inoltre che per metalli in condizioni di transpassività si attivi un ciclo di isteresi, ovvero ciclicamente la corrosione si ferma (ad esempio sul bagno-asciuga), il potenziale diminuisce e il metallo ha abbastanza tempo per ri-passivarsi e ricominciare il ciclo in transpassività.

Per poter misurare la propensione di un materiale a subire fenomeni di pitting esiste un indice di resistenza al pitting detto PREN, Questo prende in considerazione la composizione del metallo.

Pitting nodulare

In letteratura troviamo un caso importante, ovvero il rame in acqua dolce crea questo particolare tipo di pitting sovrastati da opercoli composti da prodotti di corrosione porosi.
Il meccanismo è tendenzialmente il seguente:

Corrosione in fessura

La driving force di questo tipo di morfologia di corrosione è l’areazione differenziale dovuto alla geometria delle componenti.
Tipicamente questo tipo di corrosione si presenta tra giunti metallici, interstizi sulle guarnizioni, filettature, saldature mal rifinite ecc…
La regola d’oro di questo tipo di corrosione è quella che per essere presente è necessario che l’interstizio sia sufficientemente piccolo da fare in modo che la velocità di consumo dell’ossigeno nell’interstizio sia maggiore della velocità di diffusione dell’ossigeno nello stesso.

Corrosione Filiforme

Questo tipo di corrosione è tipico di metalli protetti da un film passivato o da un film protettivo. La driving force di questo meccanismo corrosivo è la cella ad areazione differenziale. In particolare vediamo che quello che succede è che a seguito di un difetto nel film protettivo si crea sotto di questo un innesco di corrosione che poi si divide per areazione differenziale in una testa anodica che “cammina” e una coda catodica. Banalmente la testa ha meno area esposta all’aria rispetto al corpo catodico e quindi si crea una sorta d corrosione in fessura.

Corrosione selettiva

La corrosione non solo può avvenire tra 2 metalli diversi, ma dato che spesso i metalli si trovano in lega tra loro, anche queste leghe possono comportarsi come delle celle galvaniche microscopiche. Questa morfologia di corrosione è tipica delle leghe del rame dove quest’ultimo, essendo un metallo più nobile dei suoi elementi in lega, si comporta come catodo.
L’attacco selettivo si divide in 2 macro-famiglie:

Dealligazione
Corrosione intergranulare

La prima è abbastanza autoesplicativa: 2 metalli in lega, uuno più nobile dell’altro, il meno nobile viene disciolto dal più nobile.
La seconda invece è un pò più particolare: infatti quello che succede è che il grano del materiale si comporta in maniera più o meno nobile rispetto al reticolo. Questo comporta che o uno o l’altro andranno a corrodersi se messi in contatto tramite un elettrolita.
Questo processo è tipico delle ghise e delle leghe di alluminio; ma i protagonista di questo processo è l’acciaio inox per delle ragioni molto particolari che vedremo.

Dealligazione

La de-alligazione funziona su 2 meccanismi dettati dalla natura della lega

Leghe bifasiche —-> Microcoppie galvaniche tra matrice e alliganto
Leghe Monofasiche —-> Dissoluzione della lega e ri-depozione del metallo nobile

Come abbiamo detto appunto la de-alligazione è un processo tipico delle leghe di rame. In particolare gli ottoni (CuZn) subiscono un processo di dezinficazione, in particolare nell’ottone 60/40 dove abbiamo effettivamente una lega bifasica.
Per poter limitare questo effetto utilizziamo degli elementi in lega detti inibitori come fosforo, arsenico, piombo, stagno e alluminio, ma questi vanno bene solo per gli ottoni con una percentuale di zinco inferiore al 35%.

Corrosione selettiva su un elemento di bronzo — Elemento di ottone in cui lo strato superiore (destra) è stato attaccato da corrosione selettiva

Sottobicchiere di ottone che ha subito una corrosione selettiva

Per i bronzi invece avviene il processo di soluzione della lega e rideposizione del rame. Anche in questo caso esistono degli inibitori del processo che sono arsenico, antimonio e fosforo in quantità inferiori allo 0,2%. Questo tipo di leghe è largamente utilizzato in nautica sotto il nome di leghe ammiragliato.

Grafitizzazione delle ghise

Sempre sotto i processi di de-alligazione notiamo le ghise. Abbiamo visto in termodinamica, ma ripetiamo qui che il carbonio è più nobile della maggior parte dei metalli e dato che la ghisa è una lega ferro carbonio ricca di carbonio è soggetta anche lei alla de-alligazione.
Nota: per avere de-alligazione nelle ghise è necessario avere i cluster di grafite.

Morfologia di corrosione selettiva nella ghisa

Morfologia di corrosione: Corrosione intergranulare

Questo tipo di corrosione è tipica delle leghe di alluminio e degli acciai inox, anche se con meccanismi diversi.
I primi si corrodono per la loro capacità di formare leghe intermetalliche, mentre i secondi per via di un fenomeno detto sensibilizzazione.

Le leghe di alluminio

Le leghe di alluminio corrodono per via della formazione di grani intermetallici. Questi possono essere anodici o catodici rispetto all’alluminio. In un caso abbiamo la corrosione della matrice di alluminio (caso di intermetallo anodico), nell’altro abbiamo la corrosine solo del grano esterno.

Acciaio inox

L’acciaio inox segue un processo simile, ma sul bordo di grano. Questo è il caso in cui la forza di un acciaio diventa la sua debolezza. Quello che succede è che con un riscaldamento e un successivo raffreddamento lento quello che succede è che il cromo si accumula sui bordi di grano come carburi di cromo. Questi si comportano da catodo locale e in presenza di un elettrolita e vanno a indebolire la coerenza tra i grani.

Morfologia di corrosione, sensibilizzazione e presenza di rosari di carburi di cromo sul bordo di grano

Questo tipo di sviluppo di carburi di cromo è tipico attorno le saldature e porta ad una corrosione a lama di coltello. Ovvero il cordone di saldatura rimane integro e viene attaccato solo il “bordo” della saldatura. Questo accade appunto per la “sensibilizzazione” dell’acciaio.
La posizione poi dipende dalla natura dell’acciaio preso in considerazione e ad eventuali inibitori inseriti in lega.

Altri tipi di morfologia di corrosione

In realtà ci sono altre morfologie di corrosione, ovvero quelle assistite da sforzo. In questo tipo di morfologia di corrosione in realtà abbiamo 2 effetti:

La presenza di uno sforzo
La presenza di un ambiente corrosivo

Presi singolarmente i 2 effetti non avrebbero effetti catastrofici, ma uniti insieme l’uno alimenta l’altro, in particolare con i meccanismi di corrosione in fessura.
Ma in questo articolo non li tratterò in maniera approfondita.

Anche per oggi è tutto. Per le nuove uscite pigia qui! Mentre per continuare con la serie clicca qui.

La cinetica della corrosione

Pubblicato il Maggio 20, 2024 da Giovanni

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Abbiamo visto la termodinamica della corrosione che risponde alla domanda “La corrosione può avvenire?”. Ora la cinetica della corrosione ci dice “se avviene quanto velocemente?”.
Come l’articolo prima sarà molto tecnico e spero di lasciare comunque qualcosa a chi lo leggerà
E come prima, Iniziamo!!

La legge di Faraday

Possiamo intuire che, se la corrosione è formata da ioni positivi che abbandonano l’anodo, allora ci saranno tanti elettroni liberi di girare quanti ne sono gli ioni che se ne vanno.
Questa è la base della legge di Faraday, ovvero se la velocità di corrosione è la variazione di massa al passare del tempo

e la massa è formata da atomi metallici, allora la velocità di corrosione è proporzionale alla quantità di ioni che abbandonano l’elettrodo e di conseguenza è proporzionale agli elettroni liberi di girare e quindi alla corrente. Questo ci porta a introdurre la legge di Faraday per la cinetica della corrosione.
Dopo questo frasone lunghissimo vediamo la formula:

Applicato poi sull’area interessata abbiamo che la velocità di corrosione su unità di area è:

E da qui notiamo subito una cosa, ovvero che l’area è una componente importante della corrosione, in particola il RAPPORTO tra le aree di anodo e catodo fa la differenza. Infatti noi sappiamo che la corrente al catodo è la stessa corrente al catodo, ma allora se la corrente è costante abbiamo che più l’area dell’anodo è piccola, più forte sarà la concentrazione di correnti su unità di area. Questo comporta che la velocità di corrosione del catodo cresce al diminuire dell’area dello stesso.

Il circuito di della corrosione

Adesso abbiamo visto dalla termodinamica della corrosione un potenziale di cella, abbiamo appena visto una corrente di corrosione… Non ci ricorda qualcosa?
Certamente il processo di corrosione è assimilabile ad un circuito elettrico, e come un circuito elettrico è fornito di un generatore (la cella con anodo e catodo), delle resistenze e una corrente che lo attraversa (appunto la corrente calcolata dalla legge di Faraday).
Vediamo quindi qui sotto le varie componenti:

Visualizzazione del processo corrosivo come un circuito elettrico. Fondamentale per la cinetica della corrosione — Visualizzazione del processo corrosivo come un circuito elettrico.

Vediamo che appunto i potenziali vengono modificati dalle polarizzazioni di attivazione, ovvero un certo sovrapotenziale che deve essere “sconfitto” prima di iniziare la corrosione.
Questo sovrapotenziale è dipendente dalla concentrazione dello ione metallico in un intorno dell’elettrodo.

Le rette di Tafel

Esistono quindi delle curve di polarizzazione che mettono in relazione il “nuovo potenziale” con la corrente e sono dettate dalla legge di Butler-Volmer.

Che raccolte in maniera opportuna ed in funzione di E (potenziale) si ottiene: circa questa cosa qui in rosso

Approssimando questa cosa matematica brutta otteniamo la legge e i grafici di Tafel, ovvero le curve di comportamento anodico e catodico di un materiale.

Mettiamo in scala logaritmica assoluta questo grafico e magia.

Equazioni delle rette di Tafel per la cinetica della corrosione — Equazioni delle rette di Tafel

Le rette di Tafel ci dicono appunto come si comporta il metallo, in particolare

La pendenza: al comportamento anodico più la pendenza è alta, più la velocità di corrosione sarà bassa, al comportamento catodico al crescere della pendenza avremo anche qui una cinetica lenta.
La posizione rispetto all’asse y (E): al crescere della distanza cresce la corrente di scambio e quindi la velocità minima di corrosione

Andando a sovrapporre più curve di comportamento otteniamo quello che poi chiameremo punto di lavoro di cella.

Polarizzazione di attivazione

La polarizzazione di attivazione è una sorta di barriera energetica che si oppone alla corrosione. In parte è legata alla natura del metallo, in parte alla natura dell’elettrolita che lo circonda.

Questo comporta un certo distaccamento tra le curve che però è possibile trascurare poichè dell’ordine dei millivolt, ma ben più importante è il contributo dato dalla natura dell’elettrolita che circonda il materiale. Infatti se questo è “stagnante” attorno agli elettrodi si formerà una “coltre” di ioni di carica opposta all’elettrodo stesso (positiva per l’anodo, negativa per il catodo). Questa si opporrà al movimento delle cariche, ossia alzerà la tensione necessaria all’attivazione dei processi di corrosione.

Grafico di polarizzazione dell'anodo — Grafico di polarizzazione dell’anodo

Reazioni catodiche

Ricordiamo che le reazioni catodiche importanti sono la reazione di sviluppo idrogeno e quella di riduzione ossigeno. Quest’ultima ha una particolarità, ovvero ha una corrente limite di accettazione dipendente dalla limitata velocità di consumo di ossigeno dell’acqua dipendente dalla concentrazione di ossigeno. Questo si verifica in particolare a elevate velocità di corrosione.

Reazione catodica dell'ossigeno — Reazione catodica dell’ossigeno

Punto di lavoro

Il punto di lavoro si trova intersecando la caratteristica anodica di un elettrodo con la caratteristica catodica di un altro. Questo è quindi il punto i comune dove le correnti sono uguali (vedi legge di Faraday sopra) e da qui è possibile quindi ricavare il potenziale di corrosione, ovvero la tensione tra i due elettrodi.

Cinetica totale della corrosione di un insieme di processi anodici e catodici

Fenomeni di passivazione

Il fenomeno di passivazione è la creazione di uno strato superficiale di film protettivo composto da ossidi o idrossidi. La natura dello strato è di fondamentale importanza, infatti deve rispettare le seguenti caratteristiche:

Compatto
Isolante
Insolubile
Adeso
Rinnovabile

Lo strato di film passivante offre quindi una resistenza in più, ma spesso viene generato a determinate condizioni di tensione e corrente.
Il diagramma di Evans si trasforma quindi in questo modo:

Vediamo quindi che circa in maniera istantanea al crescere della tensione oltre il ramo attivo la corrente di passività è inferiore alla corrente di scambio proteggendo così il materiale dalla corrosione.
La zona di passivazione è soggetta a cambiamenti dipendenti da altri elementi magari messi in lega al metallo all’anodo, un esempio è il Cromo che allarga la zona di passivazione in tutte le direzioni, oppure il molibdeno che alza il limite di transpassività.

Paragone termodinamica e cinetica

Possiamo vedere che questo comportamento trova riscontro anche nella termodinamica.
Infatti la cinetica della corrosione non può esserci senza una termodinamica favorevole.

Avendo quindi il nuovo grafico possiamo vedere che:

Se la reazione catodica attraversa solo la zona di attività allora la corrente di corrosione sarà quella solita
se la reazione catodica attraversa solo la zona di passività allora la corrente di corrosione sarà o nulla o molto bassa
Se la reazione Catodica invece attraversa lo stato di transpassività allora avremo fenomeni di corrosione localizzata perchè la tensione riuscirà a “sfondare” il film passivante in alcuni punti
Se invece la Reazione catodica attraversa sia la zona di passività, sia la zona di attività, allora alla rottura del film avremo la corrosione sul danneggiamento con velocità di Icorr.

CInetica della corrosione di un metallo passivato con un processo catodico che attraversa sia un punto nella zona di passività sia un punto nella zona di attività

Da questi grafici e poi possibile pensare a dei controlli di corrosione cinetici che vedremo nell’articolo di protezione dei metalli dalla corrosione. Appunto la cinetica è importante perché per l’ingegneria un elemento che non si corrode e uno che si corrode di 0,0001 micron all’anno non hanno grandi differenze,

E Per quanto riguarda la cinetica della corrosione è tutto.
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La Termodinamica della corrosione

Pubblicato il Maggio 17, 2024 da Giovanni

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Dopo aver visto gli accenni di elettrochimica andiamo ad approfondire uno dei 2 aspetti della chimica della corrosione, ovvero la termodinamica di corrosione.
Questo aspetto è quello che risponde alla domanda : “può avvenire spontaneamente?”
Da qui la situazione diventerà molto tecnica e spero di far comunque trasparire qualcosa di interessante.

Iniziamo

I metalli e gli elettrodi di riferimento

Abbiamo visto la reazione anodica, ovvero gli elettroni vanno via e gli ioni metallici di disciolgono in una soluzione. Questa è una reazione di equilibrio e questo implica che prima dell’equilibrio (ovvero prima che il metallo smetta di sciogliersi), tra il metallo e la soluzione c’è una differenza di potenziale che fa avvenire la reazione. Questa differenza di energia non è misurabile, ma come abbiamo visto è possibile misurare la differenza di potenziale tra un anodo e un catodo.

Singolo elettrodo immerso in una soluzione

Quindi è necessario utilizzare un riferimento e quello più utilizzato è l’idrogeno utilizzato in questo modo.

Elettrodo di riferimento SHE utilizzato per avere un riferimento per la termodinamica di corrosine — Elettrodo di riferimento SHE

Si considera quindi il potenziale dell’elettrodo SHE come zero e da qui tramite esperimenti è possibile creare una scala di potenziali per ogni reazione di riduzione. ATTENZIONE: questa scala è la scala dei poteziali di RIDUZIONE, ovvero nella formula chimica la direzione di formazione dei metalli solidi.

Scala dei potenziali di riduzione standard rispetto all'elettrodo SHE — Scala dei potenziali di riduzione standard rispetto all’elettrodo SHE

Vediamo infatti che dal lato dei metalli catodici troviamo tutti i metalli che si trovano allo stato metallico in natura, mentre dall’altro lato tutti i metalli che troviamo in forma di ossidi. Notiamo inoltre che il potenziale da un lato e l’altro cambia di segno.

Forza elettromotrice di cella galvanica

Data questa tabella allora possiamo capire i potenziali di cella, ovvero l’energia “accumulata tra 2 elettrodi” sottoforma di potenziale elettrico. Vediamo alcuni esempi:

Esempio di calcolo di potenziale di cella

in generale per una cella non in condizioni standard s utilizza l’equazione di NERNST

Equazione di Nernst che gestisce la termodinamica di corrosione — Equazione di Nernst

Vediamo che non è altro che un fattore correttivo delle condizioni standard. Il valore di 0,0591 è dato dalla moltiplicazione dei valori di (RT/F) * ln/LOG
E osserviamo una cosa importantissima, ovvero che le attività non sono strettamente dipendenti dalle reazioni in corso, ma dalle concentrazioni. Infatti è possibile avere una cella galvanica composta con 2 elettrodi dello stesso materiale ma con concentrazioni diverse.
Il processo della cella a concentrazione lo ritroviamo in moltissimi processi corrosivi, principalmente la concentrazione che varia è quella di ossigeno.

Stabilità termodinamica dell’acqua

Abbiamo visto appunto che i processi catodici sono dati dall’acqua, ovvero dipendono dalle concentrazioni di ioni H nell’acqua (pH) e di ioni OH (pOH). Quindi svolgendo le equazioni di Nernst in funzione del pH otteniamo il “campo di esistenza dell’acqua”. Ovvero a quale potenziale e quale pH troviamo acqua stabile, dove l’acqua si ossida (sviluppo ossigeno) o dove l’acqua si riduce (sviluppo idrogeno).
Queste reazioni vanno a formare le due linee più importanti per la termodinamica di corrosione sul diagramma di Pourbaix che vedremo dopo.

Equazioni di equilibrio termodinamica dell'acqua — Equazioni di equilibrio termodinamica dell’acqua

Diagramma di Pourbaix con le equazioni e le reazioni di equilibrio termodinamica dell'acqua, base della termodinamica di corrosione — Diagramma di Pourbaix con le equazioni e le reazioni di equilibrio termodinamica dell’acqua

Come abbiamo visto i metalli vanno in corrosione solo se esiste un potenziale catodico maggiore di un potenziale anodico. Dato che le reazioni avvengono con l’acqua vediamo che:

In ambiente acido non areato (senza O2) ossidano i metalli con potenziale di riduzione minore di 0 V
In ambiente acido areato (con O2) tutti i metalli con potenziale di riduzione inferiore a 1,23 V
In ambiente neutro non areato (senza o2) ossidano i metalli con potenziale di riduzione minore di -0.41 V
In ambiente neutro areato (con O2) tutti i metalli con potenziale di riduzione inferiore a 0.82 V
In ambiente basico non areato (senza O2) tutti i metalli con potenziale di riduzione inferiore a -0.83V
In ambiente basico areato (con O2) tutti i metalli con potenziale di riduzione inferiore a +0.40 V

come si corrodono i vari metalli a seconda delle equazioni termodinamiche dell'acqua

Diagrammi di Pourbaix

Possiamo ora con lo stesso procedimento sul grafico creare le rette di esistenza di una determinata specie chimica rispetto ad un’altra (equilibrio metallo-ione metallico, equilibrio ione metallico – idrossido, equilibrio metallo idrossido) e sovrapporla al grafico di esistenza dell’acqua. Questo tipo di diagrammi è uno dei pilastri fondanti su cui si basa la termodinamica di corrosione.
Otteniamo circa un diagramma di questo tipo.

Principalmente appunto otteniamo 3 zone:

rosso: corrosione
verde : passivazione
blu: immunità

In realtà c’è un problema nella passivazione, ovvero il grafico di Pourbaix non ci da indicazioni riguardanti la qualità della passivazione, quindi non è sicuro che effettivamente ci sia un ossido passivante o un idrossido passivante, ma segna solo la formazione di ossidi e idrossidi.
Vediamo qualche esempio

Esempio di diagramma di Pourbaix per lo zinco

Esempio di diagramma di Pourbaix per lo ferro — Esempio di diagramma di Pourbaix per il ferro

In nessuno di questi 2 casi c’è l’immunità, e infatti entrambi (sia zinco che ferro) non sono presenti in forma metallica in natura e entrambi sono soggetti a corrosione in qualsiasi circostanza in cui esiste l’acqua.
Le zone di immunità in realtà generano idrogeno che può intossicare i metalli (vedasi idrogeno e acciaio)

In questo caso vediamo rame e oro che esistono metallici in natura e che, in particolare l’oro vediamo che è immune in qualsiasi condizione.
Per quanto riguarda la termodinamica di corrosione è tutto.

Anche per oggi è finisce qui. Per rimanere aggiornati pigia qui, per altri articoli, anche quelli della serie “la corrosione”, pigia quii!!

La corrosione, un processo inarrestabile

Pubblicato il Maggio 15, 2024 da Giovanni

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La corrosione è un processo naturale e inarrestabile che consuma i metalli e ne diminuisce le caratteristiche tecniche. Questo articolo (che per me sarà un ripasso generale hehe) parlerà della chimica di questo processo e di come provare a limitarlo.

Introduzione alla corrosione

Ognuno di noi ha visto almeno una volta un pezzo di acciaio arrugginito e si è domandato: “ma che è successo e perché questo acciaio è arruginito e quest’altro no?”.
Innanzitutto, cos’è la corrosione?
detta in poche parole è un processo chimico che comporta in consumo di un metallo, e viene definito anche come anti-metallurgia.
I processi corrosivi come vedremo sono “termodinamicamente favoriti” per la maggior parte dei metalli.
Infatti pochissimi metalli si trovano in natura allo stato metallico mentre la maggior parte di loro si trova sottoforma di ossidi (vedi per esempio il ferro) o sottoforma di sali (vedi per esempio il litio).

Questo è dovuto appunto alla termodinamica, in particolare alla legge del “gli elementi vogliono avere il livello di energia più basso possibile”
Per poter comprendere al meglio i processi di corrosione facciamo un bel ripassino di elettrochimica.

Il processo come scritto nel titolo è inarrestabile, ma controllabile. Infatti è possibile ridurre i danni innanzitutto progettando in maniera cosciente e soprattutto prescrivendo un monitoraggio e una manutenzione adeguata

L’elettrochimica della corrosione

Quando parliamo di corrosione la chimica fa riferimento alla cella elettrolitica, ovvero sostanzialmente alle batterie.

Ma partiamo dal concetto di energia libera di reazione, ovvero un parametro che ci dice se la reazione è spontanea (quindi l’energia dei prodotto è inferiore all’energia dei reagenti) o se ha bisogno di energia per essere sviluppata.

energia libera di gibbs per la cella di corrosione — energia libera di Gibbs

detto ciò vogliamo portare questa energia da un concetto teorico ad un concetto pratico. Ricordiamo quindi che la variazione di energia è un lavoro, come quello del lavoro elettrico. Infatti esiste una relazione tra la variazione di energia libera di Gibbs e il lavoro elettrico.
Inoltre abbiamo visto appunto l’applicazione per una generica reazione chimica, ma in corrosione si parla principalmente di forme ridotte e forme ossidate di un metallo.
Piccolo reminder per tutti i chimici all’ascolto, forma ossidata non vuol dire che ci sia un ossigeno attaccato, ma semplicemente che l’elemento ha “perso elettroni”, al contrario forma ridotta vuol dire che l’elemento ha “guadagnato elettroni”

energia libera vs lavoro elettrico corrosione — Energia libera vs Lavoro Elettrico

Con queste conoscenze acquisite ora possiamo calcolare il potenziale teorico di una cella elettrochimica

La cella elettrochimica

Vediamo che nella cella avvengono 2 reazioni su 2 metalli differenti.
L’anodo è il metallo che si consuma (il metallo si discioglie come ione perché perde elettroni) mentre il catodo è la “sede della reazione catodica”, ovvero una reazione che consuma gli elettroni prodotti dall’anodo. Nella teoria abbiamo la “deposizione” dello ione metallico sul catodo. Questo processo può avvenire e viene usato appunto per galvanizzare dei pezzi (per esempio i pezzi cromati sono fatti in questo modo). Nel campo della corrosione invece i processi catodici molto raramente sono di deposizione del metallo, ma visto l’ambiente ricco di acqua saranno i processi di riduzione dell’ossigeno e di formazione idrogeno dalla soluzione.

Principali reazioni catodiche di corrosione — Principali reazioni catodiche

Lo schema del processo corrosivo

Elementi fondamentali della corrosione — Cerchio dei 4 elementi della corrosione

Il processo di corrosione inoltre ha altri 2 componenti, ovvero i 2 conduttori. Questi sono quelli che permettono il passaggio di elettroni dall’anodo al catodo.
Se non ci fosse questo spostamento di elettroni da un metallo ad un altro non ci sarebbe corrosione perché appunto il metallo dell’anodo non perderebbe elettroni e quindi non perderebbe ioni metallici nella soluzione.

La corrosione, i fattori che la guidano

Fino ad adesso abbiamo visto la chimica dietro la corrosione, ma appunto è un processo complesso e guidato da innumerevoli fattori tra cui i principali sono i metalli e l’ambiente.
Abbiamo visto fino ad adesso la chimica tra 2 metalli, ma se avete fatto caso nell’equazione di Gibbs è segnata l’attività, e l’attività dell’ossigeno è la sua pressione parziale sul pezzo. Questo implica purtroppo che non solo c’è corrosione tra un anodo di un metallo e un catodo di un altro, ma zone dello stesso materiale a seconda dell’esposizione si possono comportare come anodo o come catodo rispetto ad un altra.

Per oggi è tutto, questa sarà una nuova serie e qui troverete le altre parti. Mentre per le novità cliccate qui!!
Alla Prossima.