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Appunti chimica termodinamica

Appunti di chimica I basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. Morroni dell’università degli Studi del Politecnico delle Marche - Univpm, della Facoltà di Scienze matematiche fisiche e naturali. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Chimica I docente Prof. E. Giorgini

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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.

Prima di enunciare i principi fondamentali su cui si basa la termodinamica,

diamo alcune definizioni:

a) un 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

b) ambiente è definito il resto dell'universo esterno al sistema

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.

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.

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.

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 dovuto a passaggi di

calore tra il sistema e l'ambiente e a scambi di lavoro tra sistema ed ambiente.

Il primo principio della termodinamica dice che la differenza di enrgia 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.

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'innnalzamento 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

Nelle trasformazioni che ci interessano il lavoro scambiato dal sistema con

l'ambiente è spesso quello di espansione o di compressione contro una pressione

esterna costante (pressione atmosferica) (espansione o compressione dovute al

fatto che durante la trasformazione varia il numero di moli di gas costituenti il

nostro sistema). Questo lavoro, detto lavoro di tipo PV, è uguale a -PV. Per la

convenzione dei segni infatti quando il sistema si comprime e quindi V<0 è

l'ambiente che fa lavoro sul sistema che lo riceve. In tale caso il primo principio

diventa:

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

p p

da cui

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

p

A questa grandezza definita come U + pV si dà il nome di entalpia (H). Essa

risulta una funzione di stato in quanto definita come somma di funzioni di stato.

Anche di essa non è noto nè interessante il valore assoluto (che dipende da U) ma

solo la differenza di valore da uno stato iniziale ad uno stato finale. Essa

coincide, come si è visto sopra, con il calore scambiato da un sistema in una

trasformazione, quando l'unica forma di lavoro è il lavoro di tipo pV è la

trasformazione avviene sotto una pressione esterna costante.

N.B. Notare come pV dimensionalmente sia un lavoro e quindi una energia. Se si

misurano le pressioni in pascal e i volumi in metri cubi il risultato del prodotto è

in joule. Se invece si misurano le pressioni in atmosfere e i volumi in litri il

risultato sarà espresso in litri atmosfere. Il passaggio da litri atmosfere a joule è

dato da:

1 litro atmosfere = 101,325 joule = 24,22 cal

Poiché le trasformazioni chimiche avvengono di solito a p= costante la funzione

di stato entalpia che coincide con il calore scambiato in tali condizioni è

estremamente importante.


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DETTAGLI
Esame: Chimica I
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher chikketta96 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica I e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico delle Marche - Univpm o del prof Giorgini Elisabetta.

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