Lezioni, Termodinamica

Carmelo

Parte applicativa:

• 2 ore martedì mattina
• 3 ore mercoledì pomeriggio

Parte teorica:

• 2 ore lunedì mattina
• mercoledì mattina (1 ora)
• giovedì (1 ora) mattina
• venerdì (-)

Esame: No prova in itinere

Prova scritta → prova orale

Testo guida:

1. Smith e Van Hess
2. Pontelli (Copyshop)
• Simboleria
• Parte fondamentale in generale
• 2 e 3 comp.venti
• I e II principio
• Termochimica
• Cinetica
3. Debbig (potenziali chimici)
4. Perry (tabelle e abiti)
5. Bertoli MASTINAGOSTIN - no elettron

LA TERMODINAMICA

• La termodinamica si basa sullo studio dei processi che avvengono tramite scambi di calore e lavoro e quindi in entrambi i casi di energia.
• Anche una reazione chimica avviene tramite scambi di energia, cioè fornisce ed esegue ciò che può essere acquistato o ceduto. Oppure alcune, come in elettrochimica, lo scambio è di questo tipo, fatto sotto forma di lavoro elettrico.
• Anche gli scambi di energia si hanno nelle trasformazioni fisiche.

Ciò di cui ci interessiamo sono gli scambi di calore fra il sistema considerato e l'ambiente, cosa che verrà poi rapportata nell'ambito dell'ingegneria chimica.

• Affinché un processo avvenga, è necessario l'intervento di una forza spingente, cioè una variazione di energia, cioè uno spostamento dall'equilibrio.
• Il nostro studio ricerca anche sull'evoluzione della cinetica di un processo, cioè della sua velocità: questi aspetti dipendono dall'influenza dell'ambiente sul sistema. L'aspetto elastico è preponderante rispetto a quello propriamente termodinamico, perché copertura da esso dipende l'analisi di un sistema termodinamico.
• Obiettivo da raggiungere nella descrizione di un sistema è quello di riuscire a descriverlo sulla base dell'analisi di questi aspetti.

LE GRANDEZZE FISICHE

• SIGNIFICATO FISICO
• DIMENSIONI
• UNITÀ DI MISURA

Sono i tre caratteristici fondamentali di una GRANDEZZA FISICA.

Le grandezze fisiche, classificate in FONDAMENTALI e DERIVATE, sono espresse nel SISTEMA INTERNAZIONALE (SI).

Esempio di unità fondamentale è la lunghezza, misurata in metri (m).

La catalogazione dei moti non segue le unità di misura anglosassoni come ad esempio il pollice e il piede.

Importante grandezza fondamentale è la MASSA (kg) che rappresenta la quantità di materia. Gli inglesi la misurano in LIBBRA corrispondente a circa 450 g.

Nello scrivere equazioni bisogna tener conto della EQUIVALENZA DIMENSIONALE, cioè al fatto che a primo e secondo membro si hanno stesse dimensioni.

Lo si esprime

• 1 kg ≡ m/s²
• V ≡ m

Dal momento che non può esserci corrispondenza tra massa e forza.

Altra basilare unità di misura della massa è la MOLE corrispondente alla quantità di materia o sostanza.

Sistema e Sue Proprietà

Ambiente

Si definisce sistema l’insieme di tutti i corpi in

considerati alle trasformazioni da considerare.

Può essere riferito da un contesto fisico oppure virtuale.

Chiameremo invece ambiente tutto ciò che è esterno al

sistema e che tuttavia effettua dei particolari

cambiamenti causati alle trasformazioni che avvengono

nel sistema.

Unità di ambiente e sistema costituisce l’universo.

I sistemi si classificano in:

• Isolato: quando non può fare alcuno scambio.
• Chiuso: quando può cambiare solo energia ma non materia.
• Aperto: quando può cambiare sia energia che materia.

La termodinamica si occupa delle proprietà macroscopiche

dei sistemi, cioè riguardanti pezzi particolari di sistema

ma tuttavia di dimensioni maggiori di quelle atomiche

e molecolari.

Le proprietà macroscopiche nei loro insieme definiscono

lo stato macroscopico del sistema; definirlo vuol dire

sapere definito per ognuna delle proprietà il relativo

valore.

Le proprietà macroscopiche si classificano poi in:

• Proprietà estensive: cambia la posizione relativa
• perché definibile per mezzo di misurazioni.
• Proprietà intensive: cioè proprietà proprie del
• sistema, indipendenti da riferimenti fisici.

Le convenzioni da considerare:

• W < 0 lavoro ceduto dal sistema all'ambiente
• W > 0 lavoro acquistato dall'ambiente

Se il lavoro totale scambiato con l'ambiente è:

W = ∫pdV^'

Se p è costante si ottiene:

W = -PΔV

Altro: lavoro per variazione di volume

Graficamente:

Se il lavoro lungo il percorso 1 corrisponde

all'area sottesa dalla linea 1,2 inferiore;

diverso sarà allora il lavoro lungo del percorso

I: quindi W è funzione di trasformazione

e si indica con dW, cioè il suo differenziale non è esatto

Spesso useremo la relazione:

dα + dW_u = dE = dU + dT + dZ

essendo W_u il lavoro utile rivalutato dal sistema,

la relazione data è la forma più comune del

principio della termodinamica (o conservazione dell'energia)

Si considera un sistema isolato per il quale

dα = 0dW = 0 ⇒ dE = 0

quindi in un sistema isolato l'energia si conserva.

Questa è l'espressione del I principio come principio di conservazionedell'energia, altre forme: quella del bilancio per sistemi chiusi, poi vedremole forme per sistemi aperti.

A partire dalla (*) consideriamo una trasformazione per la quale dV = 0 eper la quale non vi sia variazione dello stato di moto del sistema,cioè dZ = 0; superiamo un'alta dW = 0, quindi si ha:

dα |_V = dU

Vediamo subito che questa relazione ha validità solo per le condizioni inizialipredette, che vengono però ad esempio soddisfatte nel caso si considerinoad esempio, un sistema isolato.

L'energia oggetto da considerare è quella macroscopica,non è quella relativa a tutta la scienza.

La grandezza di questo relazione è che possiamo considerare una funzione non di statoad una di stato, inoltre le condizioni poste sono abbastanza comuni.

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Esercizio: Supponiamo di porre una quantità di liquido

preso in una capsula che poi sigilliamo.

Cosa succede al liquido se andiamo via via riscaldando?

• Se portiamo la struttura al punto critico, la
• capsula è riempita dallo stato, allora
• riscaldando aumenta la parte gas e quindi si ha
• evaporazione finché non si riempie tutto il recipiente.

• Viceversa, se portiamo a destra di C, abbiamo poco
• liquido e più gas, quindi prevale l’evaporazione
• finché non resta solo gas.

• Se portiamo proprio su C, il menisco non si muove,
• in quanto per ipotesi il bilanciamento termodinamico.
• L’unica cosa che è nota è che il menisco diventa
• temporaneo virtuale, finché giungi alla fase
• supercritica scompare.

Equazioni di stato

Una funzione del tipo V non è sempre specifico

prende il nome di equazione di stato;

strettamente, una sua espressione si deriva dal

diagramma di stato, di Andrews.

Ciò vuol dire che, ad esempio, è possibile scrivere

il volume come funzionale di T e P, e avrai

La Capacità Termica

Supponiamo di porre un fluido in un contenitore a pareti rigide e riscaldiamo fornendo quindi un calore Q. Si osserva un aumento di temperatura.

Tra calore fornito e temperatura (cioè la sua variazione) esiste la relazione

dq_p = c_pdT

dove c è la capacità termica del nostro sistema.

Essendo dq = dH, si ha anche:

dH = c_pdT

Supponendo di c sia funzione della temperatura, poniamo

^dH/_dT

In questo caso si ha:

dq_V = c_vdT

Facendo attenzione che talvolta c si riferisce a condizioni di V costante, quindi la indichiamo con c_v, ricordando che dq_V = dU.