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DIFFUSIONE
LA DIFFUSIONE È UN FENOMENO CHE CONSISTE NEL TRASPORTO DI MATERIA DOVUTO AD UN
GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE. Noi studieremo in particolare la diffusione molecolare
ordinaria in fluidi termostatati (cioè a temperatura costante), isotropi (ovvero tali per cui le loro
proprietà sono indipendenti dalla direzione) e omogenei (quindi costituiti da un’unica fase), quali
sono i liquidi usuali.
Un esempio di diffusione ordinaria può aversi in un sistema binario (cioè costituito da due
componenti) soluto-solvente (ovvero una soluzione), quando il soluto viene disciolto nel solvente.
Il processo diffusivo prevede un generico profilo iniziale di concentrazione non uniforme, cioè in
uno stato di non-equilibrio; per un tempo sufficientemente lungo, il sistema raggiunge uno stato
stazionario di equilibrio tale da dare un profilo finale di concentrazione uniforme in tutto il
sistema.
La “driving force” che rende spontaneo il processo è l’aumento di entropia del sistema; difatti, per
il Secondo Principio della Termodinamica, in un sistema che tende all’equilibrio l’entropia
aumenta.
Il fenomeno della diffusione molecolare è descrivibile sia adottando la Termodinamica (di nonequilibrio), sia dal punto di vista della statistica dei processi stocastici.
DIFFUSIONE DAL PUNTO DI VISTA TERMODINAMICO
La diffusione studiata dal punto di vista termodinamico prevede di considerarla come un processo
che tende spontaneamente all’equilibrio. Il parametro termodinamico che permette di studiare
come varia l’energia del sistema se varia la quantità di materia è il potenziale chimico .
Durante un processo diffusivo, la materia (costituita da particelle, molecole, ecc.) si sposta dalle
zone a più alte concentrazioni (e quindi a maggior potenziale chimico) a zone a più basse
concentrazioni (dunque, minor potenziale chimico), fino a raggiungere l’equilibrio per cui la
concentrazione (insieme al potenziale chimico) diviene uniforme in tutto il sistema.
Il potenziale chimico è definito termodinamicamente come Energia libera di Gibbs molare:
Vogliamo adesso ottenere l’espressione della forza effettiva termodinamica che governa i processi
diffusivi. A tal scopo, ricordiamo che l’Equazione di Eulero termodinamica è la seguente:
dove è l’energia interna del sistema, l’entropia, la pressione, il volume e il numero di
moli; riscrivendola in termini di potenziale chimico, per una mole di sostanza, si ottiene
In tale relazione, notiamo che
, cioè rappresenta il lavoro espansivo compiuto dal
sistema. Vogliamo adesso calcolare la derivata del potenziale chimico, :
Per differenziare l’energia interna , ricordiamo il Primo Principio della Termodinamica, scritto in
termini differenziali,
Sappiamo inoltre che, per un processo reversibile (come quello considerato),
.
Andando a sostituire tale relazione nell’espressione precedente, e riscrivendo il lavoro come
somma del lavoro espansivo e del lavoro aggiuntivo (che può essere compiuto da
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SSD
Scienze chimiche
CHIM/02 Chimica fisica
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher rachele.monnetti di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica fisica 2 e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Firenze o del prof Berti Debora.