Chimica fisica 1 - parte 1

Calcolare i valori numerici assoluti dell'entropia

Chimica Fisica di Elisabetta Cane: come calcolare i valori numerici assoluti dell'entropia e perché è il risultato di una serie innumerevole di esperimenti. Esistono dei paletti che non possiamo superare, prescindendo dal fatto che la materia ha una natura corpuscolare. Dovremmo sempre passare da una singola molecola e le sue interazioni, ma questo non è necessario. Può sembrare una versione limitata, ma ci dà risposte che non potremmo raggiungere.

Cinetica e termodinamica statistica

Cinetica va prescindendo dalla trattazione particellare. Termodinamica statistica idem e cogliamo meglio il significato di alcune grandezze. I 4 principi sono 4 (0, 1, 2, 3): sono leggi universali e li otteniamo dagli esperimenti. Definiscono i limiti entro cui possiamo applicare la termodinamica classica. L'ultimo principio che è stato formulato definisce T. Il sistema lo considerò in uno stato di equilibrio e passa ad un altro a seguito di una trasformazione.

1. Principio di conservazione dell'energia (interna)
2. Esiste una direzionalità delle reazioni spontanee. Definiamo l'entropia.

Termodinamica classica

Approccio macroscopico

Le grandezze termodinamiche vengono considerate empiricamente prescindendo dalla struttura atomica della materia.

Strumenti di lavoro

Termometri, manometri, bilance, calorimetri, serbatoi di calore, macchine termiche, frigoriferi, pompe, turbine, etc.

Strumenti di calcolo

Strumenti matematici: il calcolo differenziale applicato a funzioni di una o più variabili.

Vantaggi

È possibile descrivere lo stato di un sistema mediante un limitato numero di grandezze; fornisce metodi semplici e diretti per la soluzione di problemi chimico-fisici.

Svantaggi

Manca la descrizione delle grandezze termodinamiche in termini di struttura molecolare.

Termodinamica statistica

Approccio microscopico

Si basa sul comportamento medio del gran numero di particelle che compongono la materia, ricorrendo a concetti quali velocità quadratica media delle molecole, distribuzione e livelli di energia.

Strumenti di lavoro

Strumenti di calcolo.

Strumenti matematici

Meccanica statistica e teoria delle probabilità. Distribuzione di valori di una grandezza fisica microscopica, valor medio, valore più probabile, valore quadratico medio, funzione di partizione, probabilità termodinamica.

Vantaggi

Conferisce un significato più intuitivo alle grandezze termodinamiche, collegandole alle proprietà molecolari.

Svantaggi

L'approccio è più complesso. Descrive le proprietà macroscopiche dei sistemi all'equilibrio. Studia le relazioni tra le proprietà all'equilibrio di un sistema e i cambiamenti di queste proprietà a seguito di trasformazioni. È completamente empirica. È costituita da 4 principi, i quali sono universalmente validi.

Dalla meccanica alla termodinamica

Due fenomeni che non potevano essere descritti con le leggi della meccanica newtoniana: quando un corpo freddo e uno caldo sono a contatto interagiscono tra loro ed arrivano ad avere la stessa T. Non possiamo neanche capire perché il fenomeno avviene sempre in questa maniera. La termodinamica comprende fenomeni con scambio di energia e non temperatura: grandezza che ci fa capire perché i fenomeni vanno in una data direzione la cui entropia è quella su cui si basa la termodinamica classica. Un fluido contenuto in un recipiente, lo si riscalda ed ad un aumento di T si espande. È come se l'aumento di energia termica del fluido si trasformasse in energia cinetica del pistone mobile del recipiente che si alza. Il calore è un passaggio di energia. La proprietà chiave della termodinamica è la temperatura. La termodinamica studia le relazioni della temperatura con le proprietà macroscopiche della materia.

Sistema e ambiente

Sistema: la parte dell'universo che scegliamo di studiare.

Ambiente: la parte restante dell'universo.

Confine: la superficie che divide il sistema dall'ambiente.

Tipi di sistema

• Aperto: scambia con l'ambiente massa ed energia.
• Chiuso: scambia con l'ambiente soltanto energia.
• Isolato: non scambia con l'ambiente né massa né energia. È una condizione estrema del sistema chiuso.
• Permeabile: fa scambiare materia.
• Semipermeabile: scambia solo determinate dimensioni o condizioni di materia.
• Impermeabile: non scambia materia.
• Adiabatico: impedisce completamente il trasferimento di energia.
• Diatermico: passa energia in forma termica.
• Rigido: ha un volume fisso.
• Parete mobile: il volume è cilindrico, parallelepipedo o cubo con una faccia mobile.