Chimica generale - Termodinamica, energia e lavoro

Termodinamica, energia e lavoro

La termodinamica è la disciplina che studia le trasformazioni dell’energia. Ma cos’è l’energia? Essa è la capacità di compiere o produrre calore. In campo chimico e fisico, si definisce con energia interna l’energia totale posseduta da un sistema. Tuttavia non è possibile definire la quantità assoluta di energia interna posseduta da un sistema, perché ciò comporterebbe il conoscere l’energia di tutti i singoli atomi presenti nel sistema (o che compongono l’“oggetto”), quello che si può fare è misurare la variazione di energia interna.

La variazione è definita come la differenza dell’energia interna posseduta dal sistema nello stato finale e l’energia interna posseduta dal sistema nello stato iniziale.

Variazione di energia interna

La variazione di energia interna è una funzione di stato, cioè una grandezza che dipende solamente dallo stato finale e quello iniziale, non importa il modo in cui si passa da uno stato all’altro. Per esempio, è possibile ottenere moli di anidride carbonica tramite combustioni oppure utilizzando semireazioni passando per il monossido di carbonio, la variazione di energia interna è la stessa in entrambi i casi.

Energia interna

L’energia interna è data dalla somma di due differenti energie, dove:

• Per comprendere meglio l’energia interna di un sistema come somma di energia potenziale ed energia cinetica, si può prendere in considerazione l’esempio di una cascata:

• L’energia cinetica può essere trasformata in energia potenziale e viceversa, se lanciassimo in aria una pallina da tennis otterremmo che:
• L’energia cinetica viene trasferita dal lanciatore della palla e in questo punto è massima.
• Salendo, l’energia cinetica si trasforma in energia potenziale.
• Quando la palla raggiunge l’apice della traiettoria, tutta l’energia cinetica è trasformata in energia potenziale che qui assume il valore massimo.
• Cadendo, l’energia potenziale viene trasformata in energia cinetica.
• Quando cade al suolo, parte dell’energia cinetica viene trasferita al suolo.

Il lavoro

Il lavoro è il trasferimento di energia cinetica tra due sistemi attraverso l’azione di una forza o risultante di forze. Le reazioni chimiche possono subire lavoro, quando il loro volume viene compresso, o fornire lavoro, quando il loro volume si espande.

Il lavoro è dunque definito come il prodotto della forza in azione per lo spostamento, ma nelle reazioni chimiche la forza corrisponde alla pressione e lo spostamento al volume.

L’energia può trasformarsi in lavoro e il lavoro in energia. Prendiamo in considerazione un pallone posto sulla cima di una collinetta e un altro pallone posto più sotto. Il pallone in cima alla collinetta possiede un’energia potenziale maggiore rispetto al pallone posto più in basso, quando il pallone in cima viene fatto cadere parte della sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica e quando urta il pallone posto in basso effettua un lavoro, aumentando l’energia potenziale del pallone urtato.

Calore

Il calore è un modo alternativo per trasferire energia tra uno o più corpi che possono, ma non necessariamente, cambiare la propria temperatura. La trasmissione di calore avviene spontaneamente da un corpo più caldo ad uno più freddo, fino a quando i corpi non raggiungono la stessa temperatura.

L’energia può essere misurata in Joule o calorie:

• La caloria è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1g di acqua.