Chimica: parte 2

TERMODINAMICA - disciplina che studia le trasformazioni energetiche associate ai sistemi chimici

SISTEMI TERMODINAMICI

Un sistema termodinamico e' una porzione di universo nel quale viene effettuato lo studio e cio' che lo circonda costituisce l'ambiente.

Un sistema puo' essere:

• isolato - quando non puo' scambiare ne' energia ne' materia
• chiuso - quando puo' scambiare energia ma non materia
• aperto - quando puo' scambiare sia energia sia materia

Lo stato di un sistema termodinamico e' caratterizzato dall'insieme delle sue proprieta', definite funzioni di stato. Esse dipendono solo dallo stato iniziale e finale del sistema termodinamico e non dal percorso seguito. Le funzioni di stato si distinguono in variabili di stato, che sono grandezze direttamente misurabili e descrivono lo stato di un sistema in un preciso momento, come:

• TEMPERATURA, che misura l'energia cinetica media delle particelle;
• PRESSIONE, che rappresenta la forza per unita' di area;
• VOLUME, che costituisce lo spazio occupato dal sistema
• NUMERO DI MOLI, che indica la composizione chimica del sistema

e in funzioni di stato vere e proprie, che dipendono solo dallo stato del sistema e quindi derivano dalle variabili di stato, come l'energia interna, l'entalpia, l'entropia, l'energia libera.

Quando queste variabili rimangono costanti nel tempo, si dice che il sistema e' in equilibrio termodinamico.

ENERGIA - CALORE - LAVORO

ENERGIA: capacita' di compiere un lavoro o trasferire calore [J = N ... m = m² kg/s²]

L'energia si suddivide in energia cinetica, cioe' l'energia posseduta da un corpo in movimento, che ne determina la capacita' di compiere un lavoro, e in energia potenziale, cioe' l'energia che possiede un corpo o un sistema a causa della posizione rispetto ad un campo di forze.

L'energia durante una trasformazione puo' essere trasferita sotto forma di:

• CALORE: energia trasferita a causa di una differenza di temperatura

"Legge 0 della termodinamica - tra due corpi alla stessa temperatura non si verifica nessun passaggio di calore"

• LAVORO: energia trasferita ad un corpo tramite una forza che agisce su di esso

Se gli scambi di lavoro/energia avvengono verso l'interno del sistema (dall'ambiente al sistema) prendono segno negativo, se invece avvengono verso l'esterno del sistema (dal sistema all'ambiente) prendono segno positivo.

L'ENERGIA DI LEGAME e' l'energia necessaria per spezzare una mole di legami, ovvero per separare gli atomi di una mole di sostanza, rompendo i legami. [kJ/mol]

I PRINCIPIO della TERMODINAMICA

ENERGIA INTERNA (U)

E' l'energia totale che possiede il sistema ad una determinata temperatura e rappresenta l'insieme di tutte le forme di energia che si trovano all'interno del sistema.

L'energia interna e' una funzione di stato estensiva e quindi non si puo' determinare il valore assoluto dell'energia contenuta in un sistema, ma si puo' calcolare la variazione di energia interna a seguito di una trasformazione del sistema.

ΔU sistema = - ΔU ambiente

"L'energia interna di un sistema termodinamico isolato e' costante"

Il primo principio della termodinamica rappresenta una formulazione della legge di conservazione dell'energia: l'energia non si crea ne' si distrugge, ma si trasforma passando da una forma all'altra, cioe' puo' essere trasferita attraverso scambi di calore e di lavoro.

"Il calore puo' essere convertito in energia e viceversa"

DU = Q - W -> La variazione di energia interna di un sistema e' uguale alla differenza tra il calore scambiato e il lavoro esercitato, tra sistema e ambiente esterno.

• Q > 0 -> il sistema assorbe calore dall'esterno - reaz. esotermica
• Q < 0 -> il sistema cede calore all'ambiente - reaz. endotermica
• W > 0 -> il sistema compie lavoro verso l'esterno - si espande
• W < 0 -> l'ambiente compie lavoro verso il sistema - si comprime

DU = Qv -> Quando il processo avviene a volume costante, come all'interno di una bomba calorimetrica, il sistema non puo' compiere alcun lavoro, quindi e' nullo.

CALORIMETRIA - disciplina che studia la quantita' di calore ceduta o assorbita durante processi chimici o fisici, come le reazioni chimiche

EQUAZIONE CALORIMETRICA

Q1 = m · cs · DT

[J = Kg · J/Kg.K]

Q2 = DH · m

cs - calore specifico: calore necessario per far aumentare la temperatura di 1° di 1 Kg di sostanza

Cs(H2O) = 4,184 J

CALORIMETRO A VOLUME COSTANTE

E' un dispositivo per studiare reazioni (combustioni) che avvengono in condizioni di volume costante, cioe' il sistema non puo' compiere lavoro di espansione. E' costituito da un contenitore rigido e sigillato, nel quale vengono inseriti il campione da analizzare e ossigeno puro ad alta pressione; posto all'interno del calorimetro contiene acqua.

ENTALPIA (H)

E' una funzione