Concetti Chiave
- Il lavoro in termochimica è definito come il prodotto di una forza per uno spostamento, spesso legato alla compressione o espansione dei gas.
- In un sistema gassoso, il lavoro pressione-volume (P-V) è calcolato attraverso l'equazione w = P × ΔV, dove ΔV rappresenta la variazione di volume del gas.
- Quando un gas si espande, il lavoro è negativo perché la forza esercitata è opposta alla direzione di spostamento; viceversa, nella compressione, il lavoro è positivo.
- Le convenzioni sui segni di calore e lavoro variano a seconda del processo, con calore positivo per i processi endotermici e lavoro positivo durante la compressione.
- In condizioni di volume costante, il calore diventa una funzione di stato, mentre a pressione costante l'energia interna è data da ΔU = q + P × ΔV.
Termochimica: il lavoro
Il lavoro (w) è il prodotto di una forza per uno spostamento. w=f×l
[w]=[kg×m/s^2 ]×[m]=[kg×m^2/s^2 ]
Il lavoro molto spesso è legato alla compressione o all’espansione dei gas (questo in un sistema gassoso), in questo caso si parla di lavoro pressione-volume, o P-V.
Se sopra un recipiente contenente un gas compresso sono posti dei pesi su di un piattello; questi pesi esercitano una pressione sul gas. Se un peso viene rimosso allora il gas potrà espandersi e far compiere ai pesi rimasti su esso un movimento contro la gravità. Il piattello si sarà innalzato di una certa distanza Δh, il volume del gas è aumentato e la pressione è diminuita.
Si può quindi calcolare il lavoro effettuato da un gas per spostare un peso di massa M per una certa distanza Δh.
w=g × M × Δh
Dove M x g è la forza (g=accelerazione di gravità) e Δh è lo spostamento.
Quando un gas si espande allora vi è uno spostamento, e ΔV è positivo. Il lavoro w è negativo, perché la direzione della forza esercitata, se si pensa ad un pistone, è opposta alla direzione di spostamento del pistone. Al contrario, se il gas viene compresso allora ΔV è negativo, perché vi è una diminuzione di volume, e w è positivo, perché la forza agisce nella normale direzione di movimento del pistone.
In un sistema gassoso il volume può essere calcolato anche nel modo seguente:
w=P×∆V
Le convenzioni sui segni di calore e lavoro in base al processo sono le seguenti:
Calore Lavoro
Processo esotermico q0 (+)
Processo endotermico q>0 (+) w Nel caso di sistemi gassosi non isolati, è importante considerare due casistiche:
Riscaldamento in un cilindro a pareti rigide (a volume costante);
Riscaldamento in un cilindro munito di uno stantuffo (a pressione costante).
In entrambi i casi è possibile solamente lavoro di espansione precedentemente descritto w=P×∆V.
Quando il riscaldamento avviene a volume costante vale la seguente equazione:
∆U=q+w=q+P×∆V=q+P×0=q→∆U=q (a volume costante)
Si può quindi dire che, a volume costante, il calore diventa una funzione di stato.
Quando il riscaldamento avviene a pressione costante vale la seguente equazione:
∆U=q+w=q+P×∆V→q=∆U+P×∆V
Domande da interrogazione
- Che cos'è il lavoro in termochimica e come si calcola?
- Come varia il lavoro in base alla direzione del volume in un sistema gassoso?
- Qual è la differenza tra riscaldamento a volume costante e a pressione costante?
Il lavoro in termochimica è il prodotto di una forza per uno spostamento, spesso legato alla compressione o espansione dei gas. Si calcola come w=f×l o, in un sistema gassoso, come w=P×∆V.
Se un gas si espande, il volume aumenta (ΔV positivo) e il lavoro è negativo. Se il gas viene compresso, il volume diminuisce (ΔV negativo) e il lavoro è positivo.
A volume costante, il calore diventa una funzione di stato e ∆U=q. A pressione costante, l'equazione è ∆U=q+P×∆V, dove il calore è legato al cambiamento di energia interna e al lavoro di espansione.
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