Appunti chimica termodinamica

Termodinamica

La termodinamica è la scienza che studia le trasformazioni dell'energia. Essa ci dice la quantità di energia minima perché un processo (chimico o fisico) avvenga e ci dice anche se un certo processo può avvenire spontaneamente o meno.

Definizioni preliminari

Prima di enunciare i principi fondamentali su cui si basa la termodinamica, diamo alcune definizioni:

• Sistema: è una porzione qualsiasi dell'universo su cui centriamo la nostra attenzione. In esso possono esistere una o più sostanze chimiche costituenti una fase unica o più fasi, coinvolte o meno in un processo di trasformazione chimica.
• Ambiente: è definito il resto dell'universo esterno al sistema.

Tipologie di sistemi

Un sistema si definisce:

• Aperto: quando scambia con l'ambiente materia ed energia.
• Chiuso: quando può scambiare solo energia.
• Isolato: quando non ha alcuno scambio con l'ambiente circostante.

Variabili di stato

Per definire lo stato di un sistema occorre in termodinamica fissare alcune variabili (dette variabili di stato). Per un gas esse sono ad esempio P, T, V e numero di moli, legate tra loro dalla equazione di stato. Le grandezze che descrivono un sistema si distinguono in intensive ed estensive.

Trasformazioni termodinamiche

Una trasformazione termodinamica è il passaggio di un sistema da uno stato (descritto da certi valori delle variabili di stato) ad un altro stato (caratterizzato da un altro set di valori).

Una grandezza termodinamica si dice funzione di stato quando dipende solo dalla posizione iniziale e finale assunta dal sistema e non dal cammino qualsiasi compiuto dal sistema per passare dallo stato iniziale allo stato finale. L'energia interna di un sistema è una funzione di stato.

Energia interna

L'energia interna viene definita come la somma dell'energia cinetica e dell'energia potenziale di tutte le particelle costituenti il sistema (per energia potenziale si deve intendere ad esempio l'energia dovuta alle diverse specie di legami chimici a cui le particelle sono interessate).

Per come è definita l'energia interna di un sistema non può essere conosciuta in valore assoluto ma invece può essere nota la sua differenza durante la trasformazione da uno stato iniziale ad uno stato finale.

La variazione di energia interna di un sistema durante una trasformazione (che come è detto è indipendente dal cammino percorso) sarà dovuta a scambi di energia del sistema con l'ambiente. Questi scambi saranno dovuti a passaggi di calore tra il sistema e l'ambiente e a scambi di lavoro tra sistema ed ambiente.

Primo principio della termodinamica

Il primo principio della termodinamica dice che la differenza di energia interna tra uno stato iniziale ed uno stato finale è la somma del calore scambiato e del lavoro scambiato:

U(fin) - U(in) = U = q + w

N.B. Ricordare la convenzione dei segni, comune agli scambi di calore e di lavoro considerati sempre positivi quando vengono ricevuti dal sistema e sempre negativi quando vengono ceduti! In particolare, quando durante un processo di trasformazione un sistema assorbe calore dall'esterno si dice che il processo è endotermico; quando lo cede si dice che il processo è esotermico.

Unità di misura dell'energia

Dal punto di vista delle unità di misura, essendo U, q e w forme di energia, si dovrebbero esprimere sempre nella stessa unità di misura che nel sistema internazionale è il joule (il lavoro compiuto quando un punto di applicazione di 1 newton è spostato di 1 metro lungo la direzione della forza). In realtà, poiché il calore spesso può essere misurato con dei calorimetri (in cui ad esempio si fa avvenire un processo e si valuta il calore da questo ceduto dall'innalzamento di temperatura causato in una massa di acqua nota), si usa ancora sovente per il calore l'unità di misura della caloria (il calore necessario per innalzare di 1 grado 1 grammo di acqua). Tra caloria e joule c'è la relazione: 1 cal = 4,184 joule.